石墨烯制成的下一代纳米技术计算机存储器

碳有多种形式，从铅笔中发现的石墨到世界上最昂贵的钻石。在1980年，我们只知道三种基本形式的碳，即钻石，石墨和无定形碳。然后，发现了富勒烯和碳纳米管，最近，关于石墨烯的讨论也越来越多。石墨烯仅在2004年被发现，是一种单原子厚的扁平碳片。现有形式的碳基本上由石墨烯片组成，它们彼此粘合形成诸如石墨的固体材料，卷成碳纳米管（以单壁碳纳米管为石墨烯圆柱体），或折叠成足球球形富勒烯。

石墨烯的实验揭示了一些令人着迷的现象，这些现象激发了致力于分子电子学的纳米技术研究人员。人们发现，即使在标称载流子浓度为零的情况下，石墨烯仍具有导电能力，因为电子似乎没有减速或出现局部化。这与以下事实有关：电子在碳原子周围移动与石墨烯的蜂窝晶格的周期性电势相互作用，从而产生了失去质量或“静止质量”（所谓的无质量狄拉克费米子）的新的准粒子。。这意味着石墨烯永远不会停止导电。

赖斯大学的James M. Tour和他的团队 利用石墨烯的导电特性，描述了石墨烯存储器如何可能被用作一种新型存储器，其性能可能大大超过当前最新的闪存性能。内存技术。

“对石墨烯与其他下一代存储器（特别是相变材料）的不同之处在于，它的开/关功率比高得多-电路开启时保持的电流量（相对于关闭时），” Tour向Nanowerk解释说。“虽然相变材料的开/关比通常在10-100范围内，但使用石墨烯时，相变材料的开/关比可能高达一百万比一甚至更高–我们已经看到一千万比一-一。”

当前在计算机芯片中使用的晶体管的开/关比为10,000-100,000，但是它们是三端子设备（在三端子设备中，通过向端子施加电流或电压来控制两个端子之间的电流或电压第三终端）。积极研究基于纳米线或碳纳米管的两端子内存，以用于未来的计算机应用。它们的结构使三维存储器成为现实，因为可以堆叠材料，使每一层的芯片容量倍增。迄今为止，主要挑战是需要大规模制造以及可靠且大的开/关比。

Tour实验室的最新研究结果表明，可以使用具有二氧化硅核心和纳米石墨烯堆叠壳的纳米电缆来构建具有大量存储容量的下一代存储设备（该团队尝试了三种不同的纳米电缆配置：层石墨/二氧化硅和三层石墨/二氧化硅/二氧化硅和石墨/二氧化硅/碳化硅）。Tour指出，与当今的45纳米电路相比，石墨烯内存将使二维阵列中的存储量增加5倍，因为单个石墨薄膜片可以制成5-10纳米。闪存芯片。

Tour和博士后研究员Yuyu Li和Alexander Sinitskii一起在2008年11月16日在线版《自然材料》（“电子双端双稳态石墨记忆体”）中描述了一种利用石墨烯的导电特性的固态器件。

G–SiO2纳米电缆两端子设备的SEM图像。比例尺= 250 nm（经Nature Publishing Group许可转载）

当科学家在实验室中测试其纳米电缆设备时，他们不仅观察到了出色的耐用性-在经过1000次写入-读取-擦除-读取周期后，纳米电缆没有显示出任何退化–即使经过数周的测试，有时甚至在经过恶劣的温度条件范围从负70°C到正200°C。

“有趣的是，这些设备对电离辐射也很稳定，” Tour说。“在我们的实验中，我们以高剂量（> 20 Mrad）的8 keV X射线辐照了无偏器件，这大大高于依赖电荷存储的存储器件（例如闪存）的典型故障等级。因此，纳米电缆存储器具有出色的稳定性，对于辐射稳定的电子产品很有希望。”

赖斯团队声称，尽管他们观察到写入/擦除时间会影响开/关比率，但新开关的速度比实验室当前测试系统的测量速度（1微秒）还快：“时间越长，开/关时间就越高。比率”。“当脉冲时间从100微秒减少到1微秒时，石墨/二氧化硅纳米电缆器件的开/关比降低到大约100。”

Tour的实验室已经在为他们的纳米电缆设备开发可扩展的制造技术。根据Tour的说法，可以通过化学气相沉积法在硅或其他基板上沉积一层石墨烯。“这意味着可以使用当前使用的工业设备制造工艺来就地生长这种石墨薄膜。”

托尔在论文中描述的一个重要方面是在外观可制造的结构上在硅晶片上制造。这是必不可少的，因为纳米线很难将其缩放成可制造的结构，因为它们很难放置在所需的位置。Tour的技术展示了一种如何构建这些未来设备结构的方法。 信息来源：nanowerk