211service.com
Et skridt mod superhurtig kulstofhukommelse
Grafen, et fladt ark af hexagonalt arrangerede carbonatomer, kan transportere elektroner meget hurtigt. Dette har gjort det til et lovende materiale til højradiofrekvenslogiske kredsløb, transparente elektroder til fleksible fladskærme og elektroder med højt overfladeareal til ultrakondensatorer.
Etaller og nuller: Ved at afsætte et ferroelektrisk materiale oven på grafen har forskere lokket grafen til at holde på to forskellige niveauer af elektrisk ledningsevne, som kunne tjene som bit 1 og 0 i computerhukommelsen.
Nu har forskere ved National University of Singapore lavet computerhukommelsesenheder ved hjælp af grafen. Dette er det første skridt mod hukommelse, der kunne være meget tættere og hurtigere end den magnetiske hukommelse, der bruges i nutidens harddiske. Forskerne har lavet hundredvis af prototyper af grafenhukommelsesenheder, og de virker pålideligt ifølge Barbaros Ozyilmaz , fysikprofessoren, der ledede arbejdet præsenteret på et nyligt møde i American Physical Society i Pittsburgh. Grafen kommer til at ændre den elektroniske industri, siger han. Det, der manglede, var en måde at bruge grafen på som et hukommelseselement. Indtil videre var der næsten ingen interesse, fordi det ikke [troede] kunne lade sig gøre.
Nøglen til at lave hukommelseselementer er et materiale, der kan have to forskellige tilstande. Det skyldes, at computerhukommelsen er gemt som to bits: 1 og 0. Harddiske skal også være ikke-flygtige, hvilket betyder, at materialet skal kunne holde på disse tilstande uden at kræve strøm. Nutidens harddiske er lavet af magnetiske koboltlegeringer, og de lagrer bits som en af to magnetiske orienteringer af et lille område på disken.
Özyilmaz og hans kolleger fandt på en nem måde at få grafen til at holde sine to forskellige niveauer af ledningsevne eller modstand. Skift mellem disse niveauer kræver påføring og fjernelse af et elektrisk felt. Forskerne afsætter et tyndt lag af et ferroelektrisk materiale oven på grafenet. Ferroelektrik har et iboende elektrisk felt, og påføring af en spænding ændrer retningen af feltet. Ferroelektrikkens felt hjælper grafen med at opretholde sin ledningsevne. Og, forklarer Özyilmaz, vi kan ændre polariseringen af det ferroelektriske, hvilket igen ændrer ledningsevnen af grafen.
Den nye hukommelsesidé er spændende, fordi den er meget enkel, siger Andre Geim , professor i fysik ved University of Manchester, UK, som først isolerede grafenplader fra grafit. Ferroelektrik er velkendt. Det er også kendt, at et elektrisk felt ændrer grafens resistivitet med en faktor på typisk 10. [Özyilmaz] kombinerer disse to meget velkendte fakta.
Grafenhukommelse ville have betydelige fordele i forhold til nutidens magnetiske hukommelse. Bits kunne læses 30 gange hurtigere, fordi elektroner bevæger sig hurtigt gennem grafen. Plus, hukommelsen kunne være tættere. Bitområder på harddiske er i øjeblikket et par tiere af nanometer på tværs. Ved tætheder på 1 terabit pr. kvadrattomme vil de være omkring 25 nanometer på tværs, for små til at holde deres magnetiseringsretning. Med grafen kunne bits krympe til 10 nanometer eller endnu mindre. Faktisk ville hukommelsesenhederne fungere bedre med mindre grafenområder. Stanford University-forskere har vist, at skæring af grafen i bånd på et par nanometer brede øger forskellen mellem dets to ledningsevnetilstande.
De nye prototypehukommelsesenheder er imidlertid rudimentære. Singapore-forskerne tager grafenflager, der er 2 mikrometer brede og placerer dem på silicium. Derefter aflejrer de guldelektroder og tilføjer et øverste lag af ferroelektrisk materiale. Özyilmaz siger, at enhedens udlæsningstid er fem gange hurtigere end den nuværende magnetiske hukommelse. Forskerne kan skifte grafen mellem dets to ledningsevner 100.000 gange - praktiske hukommelsesenheder gennemgår millioner af cyklusser.
Dette er ikke det første forsøg på at lave grafenhukommelse. I august 2008 IEEE elektronenhedsbogstaver papir, forskere ved den tyske nanoteknologivirksomhed ELSKER beskrev enheder, der kunne skifte mellem to ledningsevnetilstande ved hjælp af et elektrisk felt. Vi kunne cykle 20 til 30 gange, men ikke titusindvis af gange, siger fysiker Max Lemme, hovedforfatter af papiret. Lemme spekulerer i, at hydroxylgrupper og hydrogen knyttet til grafenoverfladen løsnes, når der påføres strøm, hvilket ændrer arkets ledningsevne. Hvorfor grafenpladerne alligevel bevarer deres ledningsevne, når strømmen er slukket, er ikke godt forstået.
Geim, der var involveret i AMO-arbejdet, siger, at når man ikke kender mekanismen, er det svært at vurdere, om man i princippet kan gøre denne mekanisme pålidelig til at være reproducerbar på mange enheder på en identisk måde. Med Singapore-forskernes tilgang kender vi dog fysikken bag og dens begrænsninger. Med velkendte grundprincipper bag sig, ligner det en meget god idé.