Новости: Наноматериалы (рубрикатор)

Универсальное устройство хранения информации должно обладать высокими скоростями чтения и записи. Кроме того, остро стоит проблема увеличения плотности записи информации, но не в ущерб надежности. Основные исследования в данной области ведутся в направлении уменьшения размеров бита информации и в настоящее время вплотную приблизились к наноразмерному диапазону.

Материалы, в которых возможно обратимое протекание фазовых превращений, например, переключение между кристаллическим и аморфным состояниями, могут быть успешно использованы для создания устройств хранения информации высокой плотности (phase-change material memory, PCM memory). Принцип работы таких устройств принципиально отличается от традиционных полупроводниковых элементов памяти. Запись информации основана на изменении сопротивления материала, а не на манипуляции с электрическими зарядами. Также возможно использование разницы оптических характеристик в двух состояниях.

Однако, при изготовлении наноструктур на основе phase-change материалов по технологии сверху-вниз (top-down) свойства материала, как правило, не сохраняются. Поэтому разумным выглядит другой подход, а именно, самосборка наноструктур из таких материалов.

Исследователи из University of Pennsylvania изучили изменение свойств важного phase-change материала Ge₂Sb₂Te₅ в виде самособирающихся нанопроводов.

Нанопровода были синтезированы методом ПЖК при использовании золота в качестве катализатора. Они представляют собой монокристаллы толщиной 20 - 200 нм и длиной в несколько микрон (рис. 1). Такие кристаллы характеризуются малым сопротивлением и линейной зависимостью силы тока от напряжения. После приложения аморфизующего импульса сопротивление возрастает на два порядка и зависимость изменяется. Обратное переключение происходит при напряжении 1.8 В. То есть выполняется основное требование к материалам для записи информации. Запись и стирание осуществляется импульсами длиной порядка 100 нс.

Также было исследовано изменение свойств нанопроводов в зависимости от их толщины. Было показано, что при уменьшении толщины уменьшаются и величины рабочих токов. Например, для 200 нм провода сила тока записывающего импульса равняется 1.3 мА, а для 30 нм – 0.16 мА.

Надежность носителя информации на основе phase-change материалов обычно вызывает сомнения, т.к. аморфное состояние является метастабильным. Экстраполяция температурных зависимостей сопротивления 60 нм проводов Ge₂Sb₂Te₅ показала, что при температуре 80 °С данные могут храниться до 20 лет. Для 30 нм проводов эта величина составляет всего 3 года. А для провода толщиной 150 нм срок хранения информации при 80 °С составляет 330 лет, что превосходит любые ныне используемые технологии со сравнимыми размерами бита. Такую стабильность ученые связывают с малым количеством дефектов в самособирающихся нанопроводах.

Уменьшение токов, необходимых для аморфизации и рекристаллизации профодов, происходящее при снижении толщины провода исследователи объясняют увеличением поверхностного вклада. В частности, было показано, что поверхность играет значительную роль при инициировании плавления и кристаллизации этих объектов.

Таким образом, было показано, что нанопровода Ge₂Sb₂Te₅ обладают многими свойствами, необходимыми для создания универсальных устройств хранения информации. Для дальнейшего улучшения характеристик необходимо провести поиск новых составов, а для практического внедрения материала нужно всего ничего – разработка методов получения больших массивов phase-change нанопроводов.

Работа «Highly scalable non-volatile and ultra-low-power phase-change nanowire memory» была опубликована в Nature Nanotechnology (doi:10.1038/nnano.2007.291).