(Phys.org)—Onderzoekers van Rice University ontwerpen transparante, twee-terminal, driedimensionale computergeheugens op flexibele vellen die veelbelovend zijn voor elektronica en geavanceerde heads-up displays.

De techniek gebaseerd op de schakeleigenschappen van siliciumoxide, een baanbrekende ontdekking door Rice in 2008, werd vandaag gerapporteerd in het online tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het Rice-team onder leiding van scheikundige James Tour en natuurkundige Douglas Natelson maakt zeer transparante, niet-vluchtige resistieve geheugenapparaten gebaseerd op de onthulling dat siliciumoxide zelf een schakelaar kan zijn. Een spanning die over een dunne laag siliciumoxide loopt, stript zuurstofatomen weg van een kanaal van 5 nanometer breed, verandert het in geleidend metallisch silicium. Bij lagere spanningen, het kanaal kan dan herhaaldelijk worden verbroken en gerepareerd, over duizenden cycli.

Dat kanaal kan worden gelezen als een "1" of een "0, " wat een schakelaar is, de basiseenheid van computergeheugens. Bij 5 nm, het toont belofte om de wet van Moore uit te breiden, die voorspelde dat computercircuits elke twee jaar in vermogen zullen verdubbelen. De huidige state-of-the-art elektronica is gemaakt met 22 nm circuits.

Het onderzoek van Tour, Rice's TT en W.F. Chao-leerstoel in de chemie en hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en informatica; hoofdauteur Jun Yao, een voormalig afgestudeerde student aan Rice en nu een postdoctoraal onderzoeker aan Harvard; Jian Lin, een postdoctoraal onderzoeker van Rice, en hun collega's details van herinneringen die voor 95 procent transparant zijn, gemaakt van siliciumoxide en crossbar grafeen terminals op flexibel plastic.

Het Rice-lab maakt zijn apparaten met een werkrendement van ongeveer 80 procent, "wat best goed is voor een niet-industrieel laboratorium, Tour zei. "Als je deze ideeën in handen van de industrie krijgt, vanaf daar scherpen ze het echt aan."

Fabrikanten die miljoenen bits op kleine apparaten zoals flashgeheugens hebben kunnen passen, lopen nu tegen de fysieke limieten van hun huidige architecturen aan. waarvoor drie terminals voor elke bit nodig zijn.

Maar de Rice-eenheid, waarvoor slechts twee terminals nodig zijn, maakt het een stuk minder ingewikkeld. Het betekent dat arrays van geheugens met twee terminals kunnen worden gestapeld in driedimensionale configuraties, waardoor de hoeveelheid informatie die een geheugenchip kan bevatten enorm toeneemt. Tour zei dat zijn lab ook belofte heeft gezien voor het maken van multi-state herinneringen die hun capaciteit verder zouden vergroten.

Yao's ontdekking volgde op het werk bij Rice aan op grafiet gebaseerde herinneringen waarin onderzoekers stroken grafiet op een siliciumoxidesubstraat zagen breken en genezen wanneer er spanning op werd gezet. Yao vermoedde dat het onderliggende siliciumoxide eigenlijk verantwoordelijk was, en hij worstelde om zijn laboratoriumcollega's te overtuigen. "Jun zette rustig zijn werk voort en verzamelde bewijsmateriaal, uiteindelijk een werkend apparaat bouwen zonder grafiet, " zei Tour. "En toch, anderen zeiden, 'Oh, het was exogene koolstof in het systeem die het deed!' Daarna bouwde hij het zonder blootstelling aan koolstof op de chip."

Yao's paper waarin het siliciumoxidemechanisme wordt beschreven, verscheen in januari in Nature's Scientific Reports.

Zijn onthulling werd de basis voor de volgende generatie herinneringen die werden ontworpen in het lab van Tour, waar het team herinneringen opbouwt uit siliciumoxiden ingeklemd tussen grafeen - één atoom dikke linten van koolstof - en bevestigd aan plastic platen. Er zit geen spatje metaal in de hele unit (met uitzondering van de draden die aan de grafeenelektroden zijn bevestigd).

Het huwelijk van silicium en grafeen zou het al lang erkende nut van het eerste uitbreiden en eens en voor altijd de waarde van het tweede bewijzen, lang aangeprezen als een wondermateriaal op zoek naar een reden om te zijn, zei toer. Hij merkte op dat de apparaten niet alleen potentieel vertonen voor door straling geharde apparaten - verschillende gebouwd in Rice worden nu geëvalueerd in het internationale ruimtestation - maar ook bestand zijn tegen hitte tot ongeveer 700 graden Celsius. Dat betekent dat ze direct bovenop geïntegreerde processors kunnen worden gemonteerd zonder nadelige gevolgen.

Het lab bouwt ook crossbar-geheugens met ingebouwde diodes om stuurspanningen beter te manipuleren, zei toer. "We hebben dit langzaam ontwikkeld om de fundamentele schakelmechanismen te begrijpen, "zei hij. "Industriën zijn ingevlogen en hebben ernaar gekeken, maar we doen hier basiswetenschap; we verpakken dingen niet mooi en mooi, dus wat ze zien ziet er rudimentair uit.

"Maar dit gaat nu over in een toegepast systeem dat heel goed zou kunnen worden opgevat als een toekomstig geheugensysteem, " hij zei.