Idealna pamięć Flash zbudowana z grafenu i molibdenitu - giętka, szybka i pobiera mało energii

Grafen i molibdenit to dwa obiecujące materiały, które są zaliczane do nadziei rynku elektronicznego. Każdy z nich ma swoje zalety, każdy ma swoje wady. Szwajcarscy naukowcy spróbowali wykorzystać oba materiały jednocześnie - świetny jako przewodnik grafen i pełniący idealnie rolę półprzewodnika molibdenit. W ten sposób powstał prototyp pamięci Flash, który cechuje duża wydajność, niewielkie rozmiary komórek i jeszcze lepsza energooszczędność niż dotychczasowych pamięci półprzewodnikowych.

Branża informatyczne przeżywa obecnie okres przejściowy. W centrach danych, jak i domowych komputerach, stosowane są zarówno klasyczne już pamięci talerzowe (dyski HDD), jak i wykorzystujące pamięci Flash dyski SSD. Ceny tych drugich spadają, ale nadal nie są w pełni satysfakcjonujące dla każdego odbiorcy. Pojawiły się również alternatywy dla pamięci Flash, na przykład pamięci przemiany fazowej.

Producenci jednak tak łatwo nie zrezygnują z technologii pamięci Flash, w których rozwój już zainwestowano spore pieniądze. Najważniejsze cele to zwiększenie pojemności i trwałości nośników przy zachowaniu ceny konkurencyjnej dla obecnych pamięci talerzowych.

Pionowy przekrój przez komórkę pamięci.

Pracownicy politechniki w Lozannie spróbowali stawić czoła temu problemowi, wykorzystując stosunkowo nowe w elektronice materiały - grafen i molibdenit. Użyli je do skonstruowania komórki pamięci Flash. Rolę elektrod, źródła i drenu, pełni pojedyncza warstwa grafenu. Grafen jest także materiałem, który wykorzystano jako element pływającej bramki (element pamięci Flash), która przechowuje ładunek będący informacją o stanie komórki pamięci. Zastosowano tu 4 do 5 warstw grafenu o 1,5 nm grubości.

Zatem nawet kilka warstw nie stanowi problemu, a jednocześnie pozwala przechować duży ładunek w bramce. Jako półprzewodzący kanał wykorzystano pojedynczą warstwę molibdenitu, który cechuje się idealną dla tych zastosowań wartością przerwy energetycznej 1,8 eV.

Kolejne etapy produkcji prototypowej pamięci Flash uchwycone na mikrofotografiach. Najpierw tworzone są kanały z molibdenitu (MoS₂) umieszczone na paskach grafenu, które pełnią rolę elektrod. Potem nanoszona jest 7 nm warstwa tlenków hafnu i glinu, na której umieszczane są warstwy grafenu pełniące rolę pływającej bramki. Potem nanoszona jest kolejna warstwa tlenku hafnu i glinu, tym razem o grubości 31 nm, na której umieszczone zostają bramki sterujące. To oczywiście tylko skrócony opis całej procedury. Biały pasek na ilustracjach ma długość 3 um.

Prototypowa pamięć Flash jest zdolna przechowywać jeden bit informacji w komórce, czyli jest odpowiednikiem pamięci SLC. Jednocześnie własności molibdenitu i grafenu, a zarazem niewielkie ich rozmiary, pozwolą na zmniejszenie rozmiaru komórek pamięci w dużym stopniu zarówno w pionie, jak i w osi poprzecznej, przy jednoczesnym spełnieniu wymagań stawianych pamięci Flash. Oznacza to zmniejszenie poboru energii, a także zwiększenie gęstości upakowania informacji. W praktyce cała komórka pamięciowa zbudowana jest z dwuwymiarowych struktur (2D), co skrzętnie podkreślają w swoim opracowaniu konstruktorzy.

Nie do pogardzenia jest także duża elastyczność, która pozwoli integrować moduły pamięciowe w giętkich układach elektronicznych. Pozwoli, o ile z tej technologii powstanie faktycznie coś sensownego. Trzymamy kciuki, by ten pomysł stał się atrakcyjny dla producentów elektroniki, a w domyśle przyniósł korzyści również dla docelowych odbiorcom pamięci masowych.

Źródło: ACS Nano