CN108766488B - 一种基于分子自旋态的超高密度存储器件及数据存储方法 - Google Patents

一种基于分子自旋态的超高密度存储器件及数据存储方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于分子自旋态的超高密度存储器件及数据存储方法。该存储器件包括基体、数据存储介质和探针；所述基体为导电基体；所述数据存储介质为自旋态可变分子层，自旋态可变分子层规则排列在导电基体表面；所述探针用于将数据写入数据存储介质和/或读取存储在数据存储介质的数据；所述写入操作包括改变自旋态可变分子层中分子的自旋态，所述读取操作包括检测出自旋态可变分子层中分子的自旋态。本发明实现了信息的单分子写入，相邻分子可进行无干扰的自旋态调控，实现了信息的稳定存储，存储密度高达7*1013bit/cm2。

Description

一种基于分子自旋态的超高密度存储器件及数据存储方法
技术领域
本发明属于存储器件技术领域；具体涉及一种超高密度存储器件。
背景技术
超高密度信息存储，指的是信息存储密度大于1012bit/cm2的存储方式，其对应的单一存储单元占据面积要小于100nm2。目前采用的存储方式包括光存储、磁存储等、而采用扫描隧道显微镜(STM)进行有机信息存储材料的开发也是其中非常重要的一个方面。它结合了扫描隧道显微镜极高的空间分辨率和能量分辨率的特点和有机材料便于分子尺度进行组装的特点。
在现有的超高密度存储器件中，大部分是基于压痕、分子位移或者利用双稳态分子实现的。如中国发明专利申请CN200710072530.7公开了一种使用AFM探针压痕实现高密度信息存储的方法。中国发明专利申请CN02110772.6公开了一种基于扫描隧道显微技术的可逆分子电子器件，利用了正反向脉冲电压驱动有机分子的上下位移来实现信息的写入或擦除。中国发明专利申请CN201280009970.7公开了一种具有两层导电层以及位于两层导电层之间的有机分子层的存储器，其中有机分子层具有吸电子取代基的电阻变化型分子链。
分子自组装薄膜是指分子通过化学键相互作用，自发吸附于各种界面从而形成有序的薄膜，该种薄膜高度有序并且缺陷极少，适合分子器件的研究。
发明内容
本发明利用有机分子的自旋态的变化，提出了一种基于分子自旋态的超高密度存储器件，可以实现信息的超高密度存储。
本发明的一方面在于提出了一种基于分子自旋态的超高密度存储器件，该存储器件包括基体、数据存储介质和探针；所述基体为导电基体；所述数据存储介质为自旋态可变分子层，自旋态可变分子层中的分子规则排列在导电基体表面；所述探针用于将数据写入数据存储介质和/或读取存储在数据存储介质的数据；所述写入操作包括改变自旋态可变分子层中分子的自旋态，所述读取操作包括检测出自旋态可变分子层中分子的自旋态。
进一步，所述写入操作是通过对自旋态可变分子层中分子施加偏压而改变分子的自旋态。所述读取操作是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振峰。通过探针组件沿着与自旋态可变分子层平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取。
作为本发明的进一步改进，所述自旋态可变分子包括一个六元碳环；所述六元碳环包含1～2个烯键；以及一个所述六元碳环中烯键的取代基；所述烯键的取代基包括至少一脂烃基取代基和至少一自组装用官能团；所述脂烃基取代基包含4～12个碳原子，并且所述脂烃基取代基的一端的碳原子连接所述六元碳环；所述自组装用官能团为羧基、醛基或羟甲基，该自组装用官能团连接所述脂烃基取代基的另一端的碳原子。
在所述六元碳环包含两个烯键时，所述六元碳环可为1,3环己二烯或1,4环己二烯。
进一步，在所述六元碳环具有1～6个甲基或乙基取代基。所述脂烃基取代基具有2～6个烯键。
进一步，所述自旋态可变分子为视黄酸分子或3-甲基-5-(2,6,6-三甲基-1-环己烯-1-基)-2,4-戊二烯酸分子。
进一步，所述自旋态可变分子不包括视黄酸分子。
所述导电基体为Ag、Au、Pt基体。
所述探针的针尖材料为钨合金、铂铱合金、碳纳米管等。
作为本发明的另一方面，本发明还提出了一种使用上述的超高密度存储器件进行数据存储的方法，该方法包括，
1)在基体表面上形成数据存储介质，所述基体为导电基体，所述数据存储介质为自旋态可变分子层，自旋态可变分子层中的分子规则排列在导电基体表面；
2)使用探针沿着与自旋态可变分子层平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取，所述探针用于将数据写入数据存储介质和/或读取存储在数据存储介质的数据；所述写入操作包括改变自旋态可变分子层中分子的自旋态，所述读取操作包括检测出自旋态可变分子层中分子的自旋态。
进一步，所述写入操作是通过对自旋态可变分子层中分子施加偏压而改变分子的自旋态；所述读取操作是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振峰。
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种基于分子自旋态的超高密度存储器件，通过调控分子由非自旋到自旋态的转变，能够实现对信息的超高密度存储，并且转变后的自旋态非常稳定，可以实现信息的稳定存储。本发明另外还提出了一种使用该存储器件实现数据存储的方法，实现了信息的单分子写入，相邻分子可进行无干扰的自旋态的调控，存储密度高达7*1013bit/cm2。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1为本发明的超高密度存储器件的组成结构示意图；
附图2为本发明进行数据写入的示意图。
图中，1、探针，2、数据存储介质，3、基体。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，本发明的一种基于分子自旋态的超高密度存储器件，包括基体3、数据存储介质2和探针1；所述基体3为导电基体；所述数据存储介质2为自旋态可变分子层，自旋态可变分子层中的分子规则排列在导电基体表面；所述探针1用于将数据写入数据存储介质和/或读取存储在数据存储介质的数据；所述写入操作包括改变自旋态可变分子层中分子的自旋态，所述读取操作包括检测出自旋态可变分子层中分子的自旋态。
根据本发明的其中一实施方式，所述写入操作是通过对自旋态可变分子层中分子施加偏压而改变分子的自旋态。所述读取操作是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振峰。通过探针沿着与自旋态可变分子层平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取。
根据本发明的其中一实施方式，所述自旋态可变分子包括一个六元碳环；所述六元碳环包含1～2个烯键；以及一个所述六元碳环中烯键的取代基；所述烯键的取代基包括至少一脂烃基取代基和至少一自组装用官能团；所述脂烃基取代基包含4～12个碳原子，并且所述脂烃基取代基的一端的碳原子连接所述六元碳环；所述自组装用官能团为羧基、醛基或羟甲基，该自组装用官能团连接所述脂烃基取代基的另一端的碳原子。所述烯键的取代基指的是构成烯键的碳原子所结合的氢原子被取代所形成的取代基。所述脂烃基取代基的一端的碳原子连接所述六元碳环，另一端的碳原子连接自组装用官能团，该脂烃基取代基的两端的碳原子指的是脂烃基取代基所具有的含有最多碳原子的碳链上的两端的碳原子。
根据本发明的其中一实施方式，在所述六元碳环包含两个烯键时，所述六元碳环可为1,3环己二烯或1,4环己二烯。
根据本发明的其中一实施方式，在所述六元碳环具有1～6个甲基或乙基取代基。进一步，所述脂烃基取代基具有2～6个烯键。更进一步，所述脂烃基取代基为由2～5个烯键依次连接形成的直链取代基，所述直链取代基的一端的碳原子连接所述六元碳环，另一端的碳原子连接羧基、醛基或羟甲基。本发明中所称的“由2～5个烯键形成的直链取代基”，指的是由2～5个烯键依次连接形成的且所有烯键均在同一条碳链上所形成的取代基。所述自旋态可变分子可为视黄酸分子或3-甲基-5-(2,6,6-三甲基-1-环己烯-1-基)-2,4-戊二烯酸分子。但是申请人也出人意料的发现，除了列出的该两种分子之外，具有上述分子结构的其他分子也可用于基于自旋态的高密度存储器件。其中申请人发现包含1～2个烯键的六元碳环是实现分子自旋状态变化的关键因素，在施加偏压下能够改变分子的自旋状态。而所述六元碳环的烯键的取代基主要用于在基体上形成自组装薄膜。
根据本发明的其中一实施方式，在所述六元碳环上可具有1～6个甲基或乙基取代基。所述导电基体为Ag、Au、Pt基体，优选为Au基体。所述探针的针尖材料为钨合金、铂铱合金、碳纳米管等，优选为铂铱合金。
作为本发明的另一方面，本发明还提出了一种使用上述的超高密度存储器件进行数据存储的方法，该方法包括，
1)在基体表面上形成数据存储介质，所述基体为导电基体，所述数据存储介质为自旋态可变分子层，自旋态可变分子层中的分子规则排列在导电基体表面；
2)使用探针沿着与自旋态可变分子层平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取，所述探针用于将数据写入数据存储介质和/或读取存储在数据存储介质的数据；所述写入操作包括改变自旋态可变分子层中分子的自旋态，所述读取操作包括检测出自旋态可变分子层中分子的自旋态。
实施例1
通过对作为基体的金单晶表面进行多轮的氩离子轰击和退火，可以获得单原子尺度平整的Au(111)表面。将视黄酸分子放置在超高真空内，从自制钽舟蒸发到位于室温的Au(111)基体上。在室温沉积后，接近满单层覆盖度的视黄酸分子在表面上形成了大面积的自组装薄膜。在该自组装薄膜的上部设置探针，形成了存储器件。
实施例2
通过对作为基体的金单晶表面进行多轮的氩离子轰击和退火，可以获得单原子尺度平整的Au(111)表面。将3-甲基-5-(2,6,6-三甲基-1-环己烯-1-基)-2,4-戊二烯酸分子放置在超高真空内，从自制钽舟蒸发到位于室温的Au(111)基体上。在室温沉积后，接近满单层覆盖度的3-甲基-5-(2,6,6-三甲基-1-环己烯-1-基)-2,4-戊二烯酸分子在表面上形成了大面积的自组装薄膜。在该自组装薄膜的上部设置探针，形成了存储器件。
实施例3
在实施例1基础上，如图2所示，以三个视黄酸分子为例实现信息写入过程，定义分子操纵前S＝0的态为“0”态，操纵后正离子自由基S＝1/2态为“1”态。使用一个铂铱合金探针靠近自组装薄膜，对针尖放在视黄酸的头部(环己烯环上)，逐步改变偏压，发现在电压低于-2.2V后，电流发生了跳变。测量的扫描隧道谱显示它在零偏压下产生了一个峰，这个峰是与自旋相关的近藤共振峰，即跳变后的分子保有局域自旋，以上过程完成了一个比特信息的写入过程。重复上述过程，沿着与自旋态可变分子层平行的平面进行扫描依次实现信息写入。步骤A为原始状态，代表“000”状态，步骤B为对第一个视黄酸分子进行自旋状态的改变，代表“100”状态，步骤C为继续对第二个视黄酸分子进行自旋状态的改变，代表“110”状态，步骤D为继续第三个视黄酸分子进行自旋状态的改变，代表“111”状态，就此实现了三个比特信息的写入。对于读取操作为沿着与自旋态可变分子层平行的平面进行扫描，通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振峰而实现。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于分子自旋态的超高密度存储器件，其特征在于：该存储器件包括基体、数据存储介质和探针；所述基体为导电基体；所述数据存储介质为自旋态可变分子层，自旋态可变分子层中的分子规则排列在导电基体表面；所述探针用于将数据写入数据存储介质和/或读取存储在数据存储介质的数据；所述写入操作包括改变自旋态可变分子层中分子的自旋态，所述读取操作包括检测出自旋态可变分子层中分子的自旋态；所述自旋态可变分子包括一个六元碳环；所述六元碳环包含1～2个烯键；以及一个所述六元碳环中烯键的取代基；所述烯键的取代基包括至少一脂烃基取代基和至少一自组装用官能团；所述脂烃基取代基包含4～12个碳原子，并且所述脂烃基取代基的一端的碳原子连接所述六元碳环；所述自组装用官能团为羧基、醛基或羟甲基，该自组装用官能团连接所述脂烃基取代基的另一端的碳原子；所述烯键的取代基指的是构成烯键的碳原子所结合的氢原子被取代所形成的取代基。
2.根据权利要求1所述的一种基于分子自旋态的超高密度存储器件，其特征在于：所述写入操作是通过对自旋态可变分子层中分子施加偏压而改变分子的自旋态；所述读取操作是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振峰。
3.根据权利要求1所述的一种基于分子自旋态的超高密度存储器件，其特征在于：所述六元碳环具有1～6个甲基或乙基取代基。
4.根据权利要求1中所述的一种基于分子自旋态的超高密度存储器件，其特征在于：所述自旋态可变分子为视黄酸分子或3-甲基-5-(2,6,6-三甲基-1-环己烯-1-基)-2,4-戊二烯酸。
5.根据权利要求1中所述的一种基于分子自旋态的超高密度存储器件，其特征在于：所述自旋态可变分子不包括视黄酸分子。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于分子自旋态的超高密度存储器件，其特征在于：所述导电基体为Ag、Au或Pt基体；所述探针的针尖材料为钨合金、铂铱合金或碳纳米管。
7.一种使用权利要求1-6中任一项所述的超高密度存储器件进行数据存储的方法，该方法包括，
1)在基体表面上形成数据存储介质，所述基体为导电基体，所述数据存储介质为自旋态可变分子层，自旋态可变分子层中的分子规则排列在导电基体表面；
2)使用探针沿着与自旋态可变分子层平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取，所述探针用于将数据写入数据存储介质和/或读取存储在数据存储介质的数据；所述写入操作包括改变自旋态可变分子层中分子的自旋态，所述读取操作包括检测出自旋态可变分子层中分子的自旋态。
8.根据权利要求7所述的数据存储的方法，其特征在于：所述写入操作是通过对自旋态可变分子层中分子施加偏压而改变分子的自旋态；所述读取操作是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振峰。
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