CN101354913B

CN101354913B - 一种封闭型双层纳米碳管分子级存储单元

Info

Publication number: CN101354913B
Application number: CN2008101197079A
Authority: CN
Inventors: 韩平畴; 叶森斌
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2028-09-05
Also published as: CN101354913A

Abstract

本发明涉及一种封闭型双层纳米碳管分子级存储单元，包括：内外管均封闭的双层纳米碳管，平放于绝缘基体之上，且内层碳管的长度小于外层碳管；第一、第二电极，沉积于所述双层纳米碳管的前后两端，且电极平面与碳管的轴向垂直；在所述第一、第二电极间的电压驱动下，所述内层碳管可在外层碳管内作无接触的运动；第三、第四电极，沉积于所述双层纳米碳管的前端左右两侧；第五、第六电极，沉积于所述双层纳米碳管的后端左右两侧；且电极平面与碳管的轴向平行。本发明的技术方案通过碳管分子间的运动，利用纳米碳管独特的电学、力学性质，设计出双稳态分子存储单元，容易组装，具有很高的集成密度及较长的工作寿命，同时具有非易失性。

Description

一种封闭型双层纳米碳管分子级存储单元

技术领域

本发明涉及一种存储单元，具体是一种封闭型双层纳米碳管分子级存储单元。

背景技术

基于Top-Down思路的硅基存储技术，芯片元件的几何尺寸不能无限的缩小下去，当达到纳米量级时，现行的硅基存储半导体技术将失效，因为它有许多根本性的问题难以解决，譬如，芯片过热、电子泄漏等。因此摩尔定律预言，在未来的10-15年硅基存储技术将走到极限。

为此，各国科学家已经开始寻找各种其他的方法来解决这些根本性的技术问题。其中，基于Bottom-Up的研究思路，直接从原子和分子级尺度对存储技术进行的研究已占据主导地位，该研究思路被看作是一种替代和补充Top-Down思路的最可行方法。主要的研究代表是哈佛大学Lieber和Rueckes等教授2000年提出的静电双稳态存储单元，并已申请了美国专利“Naonoscopic wire-based devices and arrays(基于纳米线的装置和阵列)”。其基本原理是由纵横两排单壁纳米碳管正交排列组成，通过碳管两端的金属电极产生的瞬间电流，使上下碳管在交叉处产生排斥或吸引的静电力，从而使碳管形成“开”或“关”的状态而构成一个纳米级存储单元。这项研究受到了Intel等公司的重视，但这种结构主要有以下缺陷：(1)要精确地垂直正交布置两根单层碳纳米管，并保持一定的垂直间距，具有一定难度；(2)这种机械式的高频周期变形，可能会导致碳管的脱落或损伤，降低工作寿命；(3)这种存储单元是易失性的，在切断电源后，存储数据也将丢失。

发明内容

本发明的目的是提供一种封闭型双层纳米碳管分子级存储单元，以解决现有技术中静电双稳态纳米碳管存储单元存在的上述缺陷。

为了达到上述目的，本发明的技术方案提出一种封闭型双层纳米碳管分子级存储单元，该存储单元包括：

内外管均封闭的双层纳米碳管，平放于绝缘基体之上，且内层碳管的长度小于外层碳管；

第一、第二电极，沉积于所述双层纳米碳管的前后两端，且电极平面与碳管的轴向垂直；在所述第一、第二电极间的电压驱动下，所述内层碳管可在外层碳管内作无接触的运动；

第三、第四电极，沉积于所述双层纳米碳管的前端左右两侧；第五、第六电极，沉积于所述双层纳米碳管的后端左右两侧；且电极平面与碳管的轴向平行；

所述第一、第二电极与写入电路连接，控制所述内层碳管停留在所述外层碳管的前端或后端，并分别定义为“0”或“1”；所述第三、第四电极及第五、第六电极与读取电路连接，通过检测不同的输出信号测定所述内层碳管所处的不同位置，进而读出数据“0”或“1”。

上述的封闭型双层纳米碳管分子级存储单元中，所述外层碳管的前端及后端为所述内层碳管在外层碳管的两个最小势能点。

上述的封闭型双层纳米碳管分子级存储单元中，将内层碳管在外层碳管前端第三、第四电极之间的位置设定为“0”状态，在外层碳管后端第五、第六电极之间的位置设定为“1”状态，则

在所述第一、第二电极之间施加正向电压时，内层碳管将移向第二电极并停留在第五、第六电极之间，所述存储单元记录的数据为“1”；

在所述第一、第二电极之间施加负向电压时，内层碳管将移向第一电极并停留在第三、第四电极之间，则所述存储单元记录的数据为“0”。

上述的封闭型双层纳米碳管分子级存储单元中，所述读取电路通过检测由于电容大小导致的充电速度、充电时间测定所述内层碳管所处的不同位置，

如果第三、第四电极之间的充电速度慢、充电时间长，则判定所述内层碳管位于外层碳管前端，从而读出数据“0”；

如果第五、第六电极之间的充电速度慢、充电时间长，则判定所述内层碳管位于外层碳管后端，从而读出数据“1”。

上述的封闭型双层纳米碳管分子级存储单元中，所述双层纳米碳管通过碳纳米豌豆高温加热合成。

上述的封闭型双层纳米碳管分子级存储单元中，所述内层碳管通过若干个离子化的富勒烯分子高温聚合而成。

本发明的技术方案通过碳管分子间的运动，利用纳米碳管独特的电学、力学性质，设计出双稳态分子存储单元，属于相对简单的准一维结构，容易组装；存储单元尺寸小，具有很高的集成密度；内管在外管内部运动十分稳定，几乎无应力应变，且不受外界其他粒子的干扰，具有较高的工作寿命；同时具有非易失性，既可以设计为随机存储器，也可以设计为永久性存储器。

附图说明

图1为本发明封闭型双层纳米碳管分子级存储单元实施例的立体结构示意图；

图2为图1所示实施例的俯视结构示意图；

图3A、3B分别为图1所示实施例的“0”、“1”状态示意图；

图4为图1所示实施例的势能与内管位置关系图；

图5为图1所示实施例的内管受到范德华力与内管位置关系图；

图6为图1所示实施例写入数据“1”的正向电压施加示意图；

图7为图1所示实施例写入数据“0”的负向电压施加示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明中封闭的双层碳纳米管，可以通过碳纳米豌豆(carbonnanopeapod)高温加热合成，并且碳纳米豌豆中的富勒烯球可以掺杂一些其他离子，使得内层碳管具有电荷性质。在本实例中，外层碳管管长7.3nm，管径1.35nm，内层碳管管长2.1nm，管径0.67nm。内层碳管是3K+@C180，由3个离子化的富勒烯球(K+@C60)合成。

结合图1、图2所示，碳管分子被放置在绝缘基体9上，由于碳管分子与基体表面的相互作用，外管7被固定在基体9上，内管8可以在外管7内作轴向的前后往复运动。电极1、2沉积在外管的前后两端，电极1、2距离外管7两端的距离选择1nm，电极3安放在外管7的右前侧，电极3中心离外管前端1.5nm，电极平面离外管管壁1nm。电极4安放在外管7的左前侧，电极4中心离外管前端1.5nm，电极平面离外管管壁1nm。电极5安放在外管7的右后侧，电极5中心离外管后端1.5nm，电极平面离外管管壁1nm。电极6安放在外管7的左后侧，电极6中心离外管后端1.5nm，电极平面离外管管壁1nm。所有金属电极的平面尺寸选择1.5×1.5nm，厚度1nm。

上述存储单元的工作原理如下：在电极1、2间的电压驱动下，内管8可以在外管7内部作无接触的机械运动。由于内管8在外管7内部存在两个最小势能点(如图4、图5所示)，分别位于外管7的前后两端，因此，系统是双稳态的，内管8最终可以停留在这两个稳定平衡点上，具有非易失性。内管8位置的不同，会影响电极3、4间以及电极5、6间的电容性质，将内管8在前后两个平衡点的位置分别定义“0”、“1”两个状态，则纳米碳管存储单元可通过超高速脉冲电压，实现几十GHz以上的读写操作频率。本发明存储单元实施例的工作过程具体如下所述。

电极1、2连接在写控制电源上，当写控制电源在电极1、2之间施加正向电压(如图6所示)，即电极1为高电势，电极2为低电势是，内管8就会受到一个正向的静电场力，使内管8朝电极2方向移动，并最终停留在电极5、6之间。相反，当写控制电源在电极1、2之间施加负向电压(如图7所示)，即电极1为低电势，电极2为高电势，内管8就会受到一个负向的静电场力，使内管8朝电极1方向移动，并最终停留在电极3、4之间。

由于内管8位置不同，会使碳管的电学性质不同。当内管8处在电极3、4之间时，电极3、4之间的电容值比没有内管8在电极3、4之间时要大，电子疏运性质也会不同。同样，当内管8处在电极5、6之间时，电极5、6之间的电容值比没有内管8在电极3、4之间时要大，电子疏运性质也会不同。将电极3、4和电极5、6接入读电路，当施加读电源时，由于内管位置不同，输出信号不同。例如，内管8在电极3、4时，电极3、4之间的电容比电极5、6之间的电容大，电极3、4的充电速度慢，充电时间比电极5、6长。根据输出信号的不同，可以测定内管处在的位置。

将内管8在电极3、4之间设定为“0”状态(如图3A所示)，内管在电极5、6之间设定为“1”状态(如图3B所示)。在电极1、2之间施加正向电压，内管8将移向电极2，并停留在电极5、6之间，数据“1”被记录在存储单元中。反之，在电极1、2之间施加负向电压，内管8将移向电极1，并停留在电极3、4之间，数据“0”被记录在存储单元中。由于内管8停留的位置是系统的稳定平衡点，如果没有新的写控制电压输入，内管8的位置不会改变，即使切断电路电源，内管8也将继续停留在原平衡点处，因此本存储单元的数据不会轻易丢失，是非易失性存储单元。读控制电路由电极3、4、5、6等组成，根据输出信号的不同，可以测定出内管8的位置，进而读出存储单元的数据。如果电极3、4间的充电速度慢，充电时间长，则判定内管8在电极3、4之间，存储单元记录数据为“0”；相反，如果电极5、6间的充电速度慢，充电时间长，则判定内管8在电极5、6之间，存储单元记录数据为“1”。

如上所述，对本发明的示范性实施例进行了详细描述，不过实例中的参数仅针对本实例。对于其他尺寸的内外管组合，可以有不用的参数配置，如金属电极的位置，内外管的长度差等。

总之，本发明的封闭性双层碳纳米管分子存储单元结构简单，尺寸小，工作状态稳定，受外界影响小，工作寿命高，而且具有非易失性。在超高频写控制电压的作用下，可以实现几十GHz的读写存取速度。虽然本发明主要针对存储单元的设计和工作机理，但随着微纳电路设计技术不断发展，可以设计成至少10¹²单元/厘米²以上集成密度的分子级存储器，是未来分子级计算机发展的一大突破。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种封闭型双层纳米碳管分子级存储单元，其特征在于，该存储单元包括：

2.如权利要求1所述的封闭型双层纳米碳管分子级存储单元，其特征在于，所述外层碳管的前端及后端为所述内层碳管在外层碳管的两个最小势能点。

3.如权利要求1所述的封闭型双层纳米碳管分子级存储单元，其特征在于，将内层碳管在外层碳管前端第三、第四电极之间的位置设定为“0”状态，在外层碳管后端第五、第六电极之间的位置设定为“1”状态，则

4.如权利要求3所述的封闭型双层纳米碳管分子级存储单元，其特征在于，所述读取电路通过检测由于电容大小导致的充电速度、充电时间测定所述内层碳管所处的不同位置，

5.如权利要求1～4所述的封闭型双层纳米碳管分子级存储单元，其特征在于，所述双层纳米碳管通过碳纳米豌豆高温加热合成。

6.如权利要求5所述的封闭型双层纳米碳管分子级存储单元，其特征在于，所述内层碳管通过若干个离子化的富勒烯分子高温聚合而成。