211service.com
Een stap in de richting van supersnel koolstofgeheugen
Grafeen, een vlakke plaat van zeshoekige koolstofatomen, kan zeer snel elektronen transporteren. Dit heeft het tot een veelbelovend materiaal gemaakt voor hoogfrequente logische circuits, transparante elektroden voor flexibele platte beeldschermen en elektroden met een groot oppervlak voor ultracondensatoren.
Enen en nullen: Door een ferro-elektrisch materiaal bovenop grafeen te deponeren, hebben onderzoekers grafeen overgehaald om vast te houden aan twee verschillende niveaus van elektrische geleidbaarheid, die zouden kunnen dienen als bits 1 en 0 in het computergeheugen.
Nu hebben onderzoekers van de National University of Singapore computergeheugenapparaten gemaakt met grafeen. Dit is de eerste stap naar geheugen dat veel dichter en sneller zou kunnen zijn dan het magnetische geheugen dat in de huidige harde schijven wordt gebruikt. De onderzoekers hebben honderden prototypen van grafeengeheugenapparaten gemaakt en ze werken betrouwbaar, volgens Barbaros Ozyilmaz , de natuurkundeprofessor die het werk leidde dat werd gepresenteerd op een recente bijeenkomst van de American Physical Society in Pittsburgh. Grafeen gaat de elektronische industrie veranderen, zegt hij. Wat ontbrak was een manier om grafeen als geheugenelement te gebruiken. Tot nu toe was er bijna geen interesse omdat het niet haalbaar was.
De sleutel tot het maken van geheugenelementen is een materiaal dat twee verschillende toestanden kan hebben. Dat komt omdat computergeheugen wordt opgeslagen als twee bits: 1 en 0. Harde schijven moeten ook niet-vluchtig zijn, wat betekent dat het materiaal deze toestanden moet kunnen vasthouden zonder dat er stroom voor nodig is. De harde schijven van tegenwoordig zijn gemaakt van magnetische kobaltlegeringen en ze slaan bits op als een van de twee magnetische oriëntaties van een klein gebied op de schijf.
Özyilmaz en zijn collega's bedachten een gemakkelijke manier om grafeen zijn twee verschillende niveaus van geleidbaarheid of weerstand te laten behouden. Schakelen tussen deze niveaus vereist het aanleggen en verwijderen van een elektrisch veld. De onderzoekers brengen een dun laagje ferro-elektrisch materiaal aan op het grafeen. Ferro-elektriciteit heeft een intrinsiek elektrisch veld en het toepassen van een spanning verandert de richting van het veld. Het veld van het ferro-elektrisch helpt grafeen zijn geleidbaarheid te behouden. En, legt Özyilmaz uit, we kunnen de polarisatie van het ferro-elektrisch veranderen, wat op zijn beurt de geleidbaarheid van grafeen verandert.
Het nieuwe geheugenidee is opwindend omdat het heel eenvoudig is, zegt André Geim , hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Manchester, VK, die voor het eerst grafeenplaten uit grafiet isoleerde. Ferro-elektriciteit is algemeen bekend. Het is ook bekend dat een elektrisch veld de soortelijke weerstand van grafeen met een factor van typisch 10 verandert. [Özyilmaz] combineert die twee zeer bekende feiten.
Grafeengeheugen zou aanzienlijke voordelen hebben ten opzichte van het huidige magnetische geheugen. Bits kunnen 30 keer sneller worden gelezen omdat elektronen snel door grafeen bewegen. Bovendien zou het geheugen compacter kunnen zijn. Bitgebieden op harde schijven zijn momenteel enkele tientallen nanometers groot. Bij dichtheden van 1 terabit per vierkante inch zullen ze ongeveer 25 nanometer groot zijn, te klein om hun magnetisatierichting vast te houden. Met grafeen kunnen bits krimpen tot 10 nanometer of zelfs kleiner. In feite zouden de geheugenapparaten beter werken met kleinere grafeengebieden. Onderzoekers van Stanford University hebben aangetoond dat het snijden van grafeen in linten van enkele nanometers breed het verschil tussen de twee geleidbaarheidstoestanden vergroot.
De nieuwe prototype geheugenapparaten zijn echter rudimentair. De Singaporese onderzoekers nemen grafeenvlokken van 2 micrometer breed en plaatsen ze op silicium. Vervolgens deponeren ze gouden elektroden en voegen ze een toplaag van het ferro-elektrisch toe. Özyilmaz zegt dat de uitleestijd van het apparaat vijf keer sneller is dan het huidige magnetische geheugen. De onderzoekers kunnen grafeen 100.000 keer schakelen tussen zijn twee geleidbaarheid - praktische geheugenapparaten doorlopen miljoenen cycli.
Dit is niet de eerste poging om grafeengeheugen te maken. In een augustus 2008 IEEE Electron Device Letters paper, onderzoekers van het Duitse nanotechnologiebedrijf LIEFDE beschreven apparaten die kunnen schakelen tussen twee geleidbaarheidstoestanden met behulp van een elektrisch veld. We kunnen 20 tot 30 keer fietsen, maar niet tienduizenden keren, zegt natuurkundige Max Lemme, hoofdauteur van het artikel. Lemme speculeert dat hydroxylgroepen en waterstof die aan het grafeenoppervlak zijn bevestigd, losraken wanneer stroom wordt toegepast, waardoor de geleidbaarheid van de plaat verandert. Waarom de grafeenplaten toch hun geleidbaarheid behouden als de stroom is uitgeschakeld, is niet goed begrepen.
Geim, die betrokken was bij het AMO-werk, zegt dat als je het mechanisme niet kent, het moeilijk te beoordelen is of je dit mechanisme in principe betrouwbaar kunt maken zodat het reproduceerbaar is op veel apparaten op een identieke manier. Met de aanpak van de Singaporese onderzoekers kennen we echter de fysica erachter en de beperkingen ervan. Met bekende grondbeginselen erachter, lijkt het een heel goed idee.