Применения УНТ и фуллеренов в информатике

Электромеханическая память на УНТ

Предложена также память на УНТ, в которой используются их механические свойства. На рис. 6.15 слева показана УНТ с металлической проводимостью, натянутая между двумя механическими "опорами" из диэлектрика ().

Рис. 6.15. Слева – структура ячейки памяти на УНТ с металлической проводимостью. Справа – зависимость энергии связи от расстояния между УНТ и нижним электродом: 1 – энергия упругой деформации; 2 – энергия молекулярного притяжения; 3 – суммарная энергия

Между этими опорами в кремнии () сформированы каналы проводимости из углерода (графита), перпендикулярные к плоскости рисунка. Начальное расстояние между УНТ и поверхностью проводника из углерода обозначено через . Когда УНТ прогибается, то энергия ее упругой деформации по закону Гука пропорциональна квадрату стрелы прогиба, т.е. , где – расстояние между прогнутой УНТ и поверхностью проводника из углерода. График зависимости энергии деформации от показан на рис. 6.15 справа кривой 1. Между УНТ и проводником из углерода действуют силы молекулярного взаимодействия (силы Ван дер Ваальса). График зависимости энергии взаимодействия, обусловленной этими силами, от представлен на рис. 6.15 справа кривой 2. На очень малых расстояниях преобладает отталкивание, и энергия становится положительной, на бoльших расстояниях преобладает притяжение, и потому энергия связи отрицательна.

Кривая 3 – это результат сложения графиков 1 и 2. Она соответствует суммарной энергии связи с учетом как сил молекулярного притяжения, так и сил упругой деформации. Видно, что кривая 3 имеет два минимума. Это означает, что при отсутствии внешних сил УНТ имеет два положения устойчивого равновесия, которые соответствуют этим минимумам. Исследования показали, что при комнатной температуре оба эти положения являются достаточно стабильными. И поэтому на таких нанотрубках можно построить память. Структура одного из реализованных вариантов такой памяти показана на рис. 6.16.

Рис. 6.16. Один из вариантов памяти на УНТ с металлической проводимостью

На пластине кремния с оксидным слоем сформирована система углеродных проводящих шин шириной 20 нм и механических опор из диэлектрика шириной 30 нм. Толщина их на 2 нм больше толщины углеродных шин. Перпендикулярно к опорам на их поверхности размещены углеродные нанотрубки с металлической проводимостью (УНТ). Над ними сформированы золотые электроды. Следующие слои над ними на рисунке не показаны, но они есть, и в них сформирована система межсоединений, необходимая для организации блока памяти. При периоде размещения золотых электродов 40 нм площадь ячейки памяти составляла 50 х 40 = 2000 нм², что соответствует плотности памяти 50 Гбит/см². Одной УНТ длиной 20 мкм хватало для перекрывания 400 ячеек памяти. В каждой ячейке использовалось одновременно 5-8 параллельно проложенных УНТ.

Считывание информации из такой памяти основано на том, что переходное электрическое сопротивление между УНТ и углеродной шиной (речь идет о протекании тока за счет туннельных переходов электронов) экспоненциально зависит от расстояния между ними и в двух указанных выше стабильных положениях отличается на несколько порядков величины. Для записи информации на электроды ячейки кратковременно подают разноименные или одноименные электрические заряды, благодаря чему УНТ притягивается или отталкивается от углеродной шины.

Время перехода из одного стабильного положения в другое не превышало 10 пс, что потенциально позволяет проводить запись информации с частотой до 100 ГГц. Имеется резерв и для дальнейшего улучшения параметров. Если, например, расстояние между опорами уменьшить до 5 нм, то плотность памяти может быть свыше 1000 Гбит/см², а частота считывания – свыше 200 ГГц.

Структура другого варианта памяти на "провисающих" УНТ показана на рис. 6.17.

Рис. 6.17. Другой вариант памяти на УНТ с металлической проводимостью

Нижние электроды матрицы памяти здесь тоже выполнены в виде УНТ с металлической проводимостью. В такой конструкции потенциально можно достичь еще более высокого уровня плотности памяти. Но для этого требуется и более высокий уровень технологии изготовления.

Память на металлофуллерене, капсулированном внутри УНТ

Совсем другие варианты электромеханической памяти основаны на использовании заполненных УНТ. Одним из таких вариантов является УНТ, внутри которой находится металлофуллерен. Схема такой супрамолекулярной структуры показана на рис. 6.18.

Рис. 6.18.

Ось OZ направлена вдоль оси УНТ, расстояние от центра УНТ до центра ее "шапки" обозначено через L. На рис. 6.19 показан результат квантово-механического расчета энергии связи в такой супрамолекулярной структуре в зависимости от положения металлофуллерена внутри УНТ. Видно, что при пребывании металлофуллерена возле каждой из "крышек" УНТ энергия системы имеет довольно глубокие минимумы. Это связано с тем, что металлофуллерен здесь существенно взаимодействует не только с атомами боковых стенок УНТ, но и с атомами ее "крышки", и поэтому удерживается здесь значительно большими силами.

Рис. 6.19.

Глубина минимума по сравнению с энергией в центре УНТ составляет около 2,1 эВ. Если использовать более длинную УНТ, УНТ с другой "хиральностью", а вместо металлофуллерена взять один из металлофуллеренов , или ( – атом металла), то количественно результаты будут отличаться. Но качественно характер кривой зависимости энергии от положения металлофуллерена оказывается таким же.

Одно из устойчивых крайних положений металлофуллерена внутри УНТ можно принять за логический "0", а противоположное – за логическую "1". Для считывания информации из такой ячейки можно воспользоваться тем, что ВАХ нанотрубки при наличии возле одного из ее концов металлофуллерена становится асимметричной. Поэтому при фиксированном приложенном напряжении электрический ток через ячейку будет разным в состояниях "0" и "1", отличаясь при малом напряжении на порядок величины. Можно воспользоваться также тем, что электрический потенциал вблизи крышки УНТ для состояний "0" и "1" различный. Разницу в десятки милливольт тоже нетрудно зафиксировать. Для записи новой информации в ячейку на крышки УНТ подают импульс электрического напряжения того или иного знака. При величине порядка 2-3 В она должна быть достаточна для преодоления "потенциального барьера" внутри нанотрубки.

Динамика перемещения металлофуллерена из одного устойчивого состояния в другое под действием такого импульса напряжения показана на рис. 6.20. Вдоль горизонтали здесь отложены время в пикосекундах, вдоль вертикали – положение металлофуллерена на оси OZ. Видно, что переход в другое положение происходит приблизительно за 4 пс, но для успокоения колебательного движения импульс напряжения должен длиться приблизительно 10 пс. А следующее переключение допускается проводить лишь через 16-20 пс. Т.е. частота перезаписи информации может быть порядка 50 ГГц. Затраты энергии на переключение составляют 5-10 эВ, т.е. очень малы.

Рис. 6.20. Динамика перемещения металлофуллерена из одного устойчивого положения в другое под действием импульса напряжения

Было показано, что подобно металлофуллерену ведут себя внутри ВНТ также и наночастицы металлов, размеры которых позволяют им находиться внутри нанотрубки. При этом высота потенциального барьера, который надо одолеть для перехода в другое устойчивое положение, значительно возрастает и составляет много десятков электрон-вольт. Поэтому память на таких ячейках чрезвычайно долговечна и по теоретическим оценкам составляет миллиарды лет. Такой долговечности не достигает ни один из других наноэлектронных видов памяти.