Wetenschappers van Rice University hebben een solid-state geheugentechnologie ontwikkeld die opslag met hoge dichtheid mogelijk maakt met een minimum aan computerfouten.

De herinneringen zijn gebaseerd op tantaaloxide, een veel voorkomende isolator in de elektronica. Spanning aanbrengen op een 250 nanometer dikke sandwich van grafeen, tantaal, nanoporeus tantaaloxide en platina creëren adresseerbare bits waar de lagen samenkomen. Regelspanningen die zuurstofionen en vacatures verschuiven, schakelen de bits tussen enen en nullen.

De ontdekking door het Rice-lab van chemicus James Tour zou kunnen leiden tot crossbar array-geheugens die tot 162 gigabit kunnen opslaan, veel hoger dan andere op oxide gebaseerde geheugensystemen die door wetenschappers worden onderzocht. (Acht bits zijn gelijk aan één byte; een eenheid van 162 gigabit zou ongeveer 20 gigabyte aan informatie opslaan.)

Details verschijnen online in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

Net als de eerdere ontdekking van siliciumoxidegeheugens door het Tour-lab, de nieuwe apparaten vereisen slechts twee elektroden per circuit, waardoor ze eenvoudiger zijn dan de huidige flash-geheugens die er drie gebruiken. "Maar dit is een nieuwe manier om ultradichte, niet-vluchtig computergeheugen, ' zei Tour.

Niet-vluchtige geheugens houden hun gegevens vast, zelfs als de stroom is uitgeschakeld, in tegenstelling tot vluchtige, willekeurig toegankelijke computergeheugens die hun inhoud verliezen wanneer de machine wordt uitgeschakeld.

Moderne geheugenchips hebben veel eisen:ze moeten gegevens met hoge snelheid lezen en schrijven en zoveel mogelijk vasthouden. Ze moeten ook duurzaam zijn en een goede retentie van die gegevens vertonen terwijl ze minimaal stroom verbruiken.

Tour zei het nieuwe ontwerp van Rice, die 100 keer minder energie nodig heeft dan de huidige apparaten, heeft het potentieel om alle punten te raken.

"Dit tantaalgeheugen is gebaseerd op systemen met twee terminals, dus alles is klaar voor 3D-geheugenstacks, "zei hij. "En het heeft niet eens diodes of selectors nodig, waardoor het een van de gemakkelijkste ultradichte herinneringen is om te bouwen. Dit zal een echte concurrent zijn voor de groeiende vraag naar geheugen in high-definition video-opslag en serverarrays."

De gelaagde structuur bestaat uit tantaal, nanoporeus tantaaloxide en meerlagig grafeen tussen twee platina-elektroden. Bij het maken van het materiaal de onderzoekers ontdekten dat het tantaaloxide geleidelijk zuurstofionen verliest, veranderen van een zuurstofrijke, nanoporeuze halfgeleider aan de bovenkant tot zuurstofarm aan de onderkant. Waar de zuurstof volledig verdwijnt, het wordt puur tantaal, een metaal.

De onderzoekers stelden vast dat drie gerelateerde factoren de herinneringen hun unieke schakelvermogen geven.

Eerst, de stuurspanning bemiddelt hoe elektronen door een grens gaan die kan omslaan van een ohms (stroom vloeit in beide richtingen) naar een Schottky (stroom vloeit in één richting) en terug.

Tweede, de locatie van de grens kan veranderen op basis van zuurstofvacatures. Dit zijn "gaten" in atomaire arrays waar zuurstofionen zouden moeten bestaan, maar niet doen. De spanningsgestuurde beweging van zuurstofvacatures verschuift de grens van het tantaal / tantaaloxide-interface naar het tantaaloxide / grafeen-interface. "De uitwisseling van contactbarrières veroorzaakt de bipolaire schakeling, " zei Gunuk Wang, hoofdauteur van de studie en voormalig postdoctoraal onderzoeker bij Rice.

Derde, de stroom van stroom trekt zuurstofionen uit de tantaaloxide nanoporiën en stabiliseert ze. Deze negatief geladen ionen produceren een elektrisch veld dat effectief dient als een diode om foutveroorzakende overspraak te voorkomen. Terwijl onderzoekers de potentiële waarde van tantaaloxide voor herinneringen al kenden, dergelijke arrays zijn beperkt tot ongeveer een kilobyte omdat dichtere geheugens last hebben van overspraak waardoor bits verkeerd kunnen worden gelezen.

Het grafeen heeft een dubbele functie als een barrière die voorkomt dat platina naar het tantaaloxide migreert en kortsluiting veroorzaakt.

Tour zei dat herinneringen aan tantaaloxide kunnen worden vervaardigd bij kamertemperatuur. Hij merkte op dat de stuurspanning die de bits schrijft en herschrijft instelbaar is, die een breed scala aan schakelkarakteristieken mogelijk maakt.

Wang zei dat de resterende hindernissen voor commercialisering de fabricage zijn van een crossbar-apparaat dat dicht genoeg is om individuele bits aan te pakken en een manier om de grootte van de nanoporiën te regelen.