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Ein Schritt in Richtung superschneller Kohlenstoffspeicher
Graphen, ein flaches Blatt aus hexagonal angeordneten Kohlenstoffatomen, kann Elektronen sehr schnell transportieren. Dies hat es zu einem vielversprechenden Material für Hochfrequenz-Logikschaltungen, transparente Elektroden für flexible Flachbildschirme und Elektroden mit großer Oberfläche für Ultrakondensatoren gemacht.
Einsen und Nullen: Durch das Abscheiden eines ferroelektrischen Materials auf Graphen haben Forscher Graphen dazu gebracht, zwei verschiedene Niveaus der elektrischen Leitfähigkeit beizubehalten, die als Bit 1 und 0 im Computerspeicher dienen könnten.
Jetzt haben Forscher der National University of Singapore Computerspeichergeräte mit Graphen hergestellt. Dies ist der erste Schritt in Richtung Speicher, der viel dichter und schneller sein könnte als der magnetische Speicher, der in heutigen Festplatten verwendet wird. Die Forscher haben Hunderte von Prototypen von Graphen-Speichergeräten hergestellt, und sie arbeiten zuverlässig, so Barbaros Ozyilmaz , der Physikprofessor, der die Arbeit leitete, die kürzlich auf einem Treffen der American Physical Society in Pittsburgh vorgestellt wurde. Graphen wird die Elektronikindustrie verändern, sagt er. Was fehlte, war eine Möglichkeit, Graphen als Speicherelement zu verwenden. Bisher gab es fast kein Interesse, weil es nicht machbar war.
Der Schlüssel zur Herstellung von Speicherelementen ist ein Material, das zwei verschiedene Zustände aufweisen kann. Das liegt daran, dass der Computerspeicher in zwei Bits gespeichert wird: 1 und 0. Festplatten müssen auch nichtflüchtig sein, was bedeutet, dass das Material diese Zustände beibehalten kann, ohne dass Strom benötigt wird. Heutige Festplatten bestehen aus magnetischen Kobaltlegierungen und speichern Bits in einer von zwei magnetischen Ausrichtungen eines kleinen Bereichs auf der Festplatte.
Özyilmaz und seine Kollegen haben einen einfachen Weg gefunden, Graphen seine zwei verschiedenen Leitfähigkeits- oder Widerstandsniveaus beizubehalten. Das Umschalten zwischen diesen Ebenen erfordert das Anlegen und Entfernen eines elektrischen Felds. Auf dem Graphen scheiden die Forscher eine dünne Schicht eines ferroelektrischen Materials ab. Ferroelektrika haben ein intrinsisches elektrisches Feld und das Anlegen einer Spannung ändert die Richtung des Feldes. Das Feld des Ferroelektrikums hilft Graphen, seine Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten. Und, erklärt Özyilmaz, können wir die Polarisation des Ferroelektrikums ändern, was wiederum die Leitfähigkeit von Graphen ändert.
Die neue Speicheridee ist spannend, weil sie ganz einfach ist, sagt André Geim , Professor für Physik an der University of Manchester, Großbritannien, der erstmals Graphenschichten aus Graphit isolierte. Ferroelektrika sind bekannt. Es ist auch bekannt, dass ein elektrisches Feld den spezifischen Widerstand von Graphen typischerweise um den Faktor 10 ändert. [Özyilmaz] kombiniert diese beiden sehr bekannten Tatsachen.
Graphen-Speicher hätte erhebliche Vorteile gegenüber dem heutigen magnetischen Speicher. Bits könnten 30-mal schneller gelesen werden, weil sich Elektronen schnell durch Graphen bewegen. Außerdem könnte der Speicher dichter sein. Bit-Bereiche auf Festplatten haben derzeit einen Durchmesser von einigen zehn Nanometern. Bei Dichten von 1 Terabit pro Quadratzoll haben sie einen Durchmesser von etwa 25 Nanometern, zu klein, um ihre Magnetisierungsrichtung beizubehalten. Mit Graphen könnten Bits auf 10 Nanometer oder noch kleiner schrumpfen. Tatsächlich würden die Speichergeräte mit kleineren Graphenbereichen besser funktionieren. Forscher der Stanford University haben gezeigt, dass das Schneiden von Graphen in Bänder mit einer Breite von wenigen Nanometern den Unterschied zwischen seinen beiden Leitfähigkeitszuständen verstärkt.
Die neuen Prototyp-Speicherbauelemente sind jedoch rudimentär. Die Forscher aus Singapur nehmen 2 Mikrometer breite Graphen-Flakes und platzieren sie auf Silizium. Dann scheiden sie Goldelektroden ab und fügen eine oberste Schicht des Ferroelektrikums hinzu. Özyilmaz sagt, dass die Auslesezeit des Geräts fünfmal schneller ist als bei aktuellen Magnetspeichern. Die Forscher können Graphen 100.000 Mal zwischen seinen beiden Leitfähigkeiten umschalten – praktische Speichergeräte durchlaufen Millionen von Zyklen.
Dies ist nicht der erste Versuch, Graphen-Speicher herzustellen. In einem August 2008 IEEE-Elektronengerätebuchstaben Papier, Forscher des deutschen Nanotechnologieunternehmens LIEBE beschrieben Geräte, die mit Hilfe eines elektrischen Feldes zwischen zwei Leitfähigkeitszuständen umschalten konnten. Wir könnten 20 bis 30 Mal radeln, aber nicht zehntausende Male, sagt der Physiker Max Lemme, Erstautor des Papiers. Lemme spekuliert, dass sich Hydroxylgruppen und Wasserstoff, die an der Graphenoberfläche angelagert sind, beim Anlegen von Strom lösen und die Leitfähigkeit des Blatts verändern. Warum die Graphenschichten trotzdem ihre Leitfähigkeit behalten, wenn der Strom abgeschaltet wird, ist nicht gut verstanden.
Geim, der an der AMO-Arbeit beteiligt war, sagt, wenn man den Mechanismus nicht kennt, ist es schwer zu beurteilen, ob man diesen Mechanismus prinzipiell zuverlässig und auf vielen Geräten identisch reproduzierbar machen kann. Mit dem Ansatz der Singapurer Forscher kennen wir jedoch die Physik dahinter und ihre Grenzen. Mit bekannten Grundlagen dahinter sieht es nach einer sehr guten Idee aus.