CN1571047A - 新型基于电子束的数据存储装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种超高密度数据存储装置，它包括至少一个能量束发射器(240)和一种数据存储介质(210)，该存储介质(210)本身包括有机材料。有机材料可包括一层或多层Langmuir－Blodgett层并可包括导电聚合物。可以利用Langmuir－Blodgett层中是否局部存在有局部无序来检测数据存储介质中形成的数据位。也可利用在有机材料中是否存在一维导电率来读出数据存储介质中形成的数据位。

Description

新型基于电子束的数据存储装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及数据存储装置及其使用方法。

背景技术

数据存储装置可用于电脑和其它电子设备中以数据位的形式存储信息。早期的数据存储装置包括电脑穿孔卡，卡上数据由毫米大小的孔组成。将穿孔卡馈入电脑，就可读出穿孔卡上的数据。如今，穿孔卡已由半导体芯片代替，毫米大小的孔已由小得多的数据位代替。

随着数据位不断变得越来越小，数据位就可以放置得相互更为靠近，在数据存储装置上存储的数据密度就可增加。当数据位为微米级，亚微米级，或毫微米级时，数据存储装置可以称为超高密度数据存储装置。

图1示出超高密度数据存储装置10的透视图。超高密度数据存储装置10包括：一组场发射器100；位于场发射器100下面的无机数据存储层110；微移动器120，它将无机数据存储层110固定在场发射器100下面，而且可将无机数据存储层110放置在相对场发射器100的任何所需的位置上；以及能向场发射器100提供能量的电连接线130。场发射器100在供有能量时能用电子束轰击无机数据存储层110，并能将无机数据存储层110的毫微米级部分从未写入数据位(图1中以参考数字140表示)转变成写入数据位(图1中以参考数字150表示)。这种转变通过写入过程发生，以下将作讨论。

如上述，向无机数据存储层110写入数据时，所选的场发射器100通过电连接线130受激励，使之用电子束轰击所选的未写入数据位140。在写入过程中，电子束具有足够的能量密度使受轰击的未写入数据位140在适当冷却后从第一材料状态(例如结晶状态，可赋值为“0”)转变为第二材料状态(例如非晶体状态，可赋值为“1”)。这样，轰击结晶态的未写入数据位140，并适当冷却该未写入数据位140以形成非晶态的写入数据位150，就可将具有数值“1”的数据位写入并存储在无机数据存储层110上。

从无机数据存储层110上擦除数据时，所选的场发射器100通过电连接线130受激励，使之用电子束轰击所选的写入数据位150。在擦除过程中，电子束具有足够的能量密度使受轰击的写入数据位150在施加具有适当时间和空间特性的加热脉冲后从第二材料状态(例如非晶体状态，可赋值为“1”)转变为第一材料状态(例如结晶状态，可赋值为“0”)。例如，轰击非晶态的写入数据位150并适当加热和退火该写入数据位150，就可恢复无机数据存储层110上具有数值“0”的数据位。

从无机数据存储层110上读出数据时，场发射器100又用电子束轰击数据位140、150。但，现在场发射器100不是用上述具有足够的能量密度可使数据位在第一和第二材料状态间转变的电子束来来轰击数据位140、150，而是用具有相对较低能量密度的电子束来轰击数据位140、150，这些电子束不能实现转变但却可实现识别。这样，监控低能量密度电子束和数据位140、150之间的交互作用就可读出数据。

由于低能量密度电子束与未写入数据位140的交互作用不同于与写入数据位150的交互作用，在读出过程中所监控的交互作用就会发生区别。例如，低能量密度电子束在轰击非晶态写入数据位150时所产生的二次电子比轰击结晶态未写入数据位140时要少。所以，监控相对较低能量密度的电子束和其轰击的数据位140、150之间的交互作用(例如监控所产生的二次电子数)就可确定受轰击的数据位140、150存储的是“0”还是“1”，从而读出在数据存储层110所存储的数据。

通常用在图1所示的存储介质110中的许多存储材料，例如无机相变材料，都要求有相当大的能量才能使未写入数据位140转变为写入数据位150，反之亦然。此外，传统的存储介质通常在真空设备中用蒸发或溅射过程淀积。因此为了在写入或擦除过程中节省能量并简化制造过程，最好能找到要求较低的转变能量而且不用真空设备处理的代替存储介质。原有技术的这些缺点可用下述实施例来克服。

发明内容

一种数据存储装置，包括：第一电极和第二电极；位于在第一电极和第二电极之间的存储介质，其特点在于该存储介质包括一种有机材料；以及位于该存储介质附近的发射器，其特点在于该发射器能将具有亚微米级光点大小的能量束发射到存储介质的表面上。

在一种数据存储装置中存储和检索数据的方法，该数据存储装置包括有：第一电极和第二电极；位于第一电极和第二电极之间的存储介质，该存储介质包括一种有机材料；以及位于该存储介质附近的发射器，该发射器能将具有亚微米级光点大小的能量束发射到存储介质的表面上。

附图说明

详细说明将参阅以下附图，其中相同数字代表相同元件，附图包括：

图1示出按照有关技术的超高密度数据存储装置的透视图，该装置包括一种无机材料作为存储介质；

图2示出一种超高密度数据存储装置的截面图，该装置在存储介质中包括有机材料，其中有机材料尚未被写入；

图3示出一种超高密度数据存储装置的截面图，该装置在存储介质中包括有机材料，其中有机材料已被写入；

图4示出一种超高密度数据存储装置的截面图，该装置在存储介质中包括有机材料，它既是存储材料也提供信号电极功能；

图5示出在数据存储装置中存储和检索数据的示范方法的流程图。

具体实施方式

如上述，完全由无机材料构成的数据存储介质一般需要相当大的能量才可在其上写入/形成数据位。为了减少向数据存储介质写入数据位所需要的能量，可以在数据存储介质中包括进有机材料。所需能量的减少通常与有机材料相对于无机材料来说具有较低的结合强度有关。

图2和图3示出一种示范超高密度数据存储装置20的截面图，它在数据存储介质210中包括有机材料200。图2中，整个有机材料200具有基本有序的结构，尚未被写入。但，在图3中，部分有机材料200变混乱或交联，表示数据位已写入有机材料200。

图2和图3所示的数据存储介质210包括第一电极220和第二电极230。这些电极220、230分别位于有机材料200的两侧。一系列发射器240位于存储介质210的附近(即几个微米之内或更近)，第二电极230位于有机材料200和发射器240之间，第一电极位于有机材料200的下面。存储介质210、电极220、230以及发射器240的其它结构也是可能的，对本专业的技术人员来说在使用此处所讨论的数据存储装置20后这一点是显而易见的。

发射器240由微移动器250支承，它可相对存储介质210移动发射器240。在不同的实施例中，发射器240放在固定的结构上，而微移动器250支承数据存储介质210并相对发射器240移动数据存储介质210。从使用上述数据存储装置20，使发射器240相对数据存储介质210移动的其它装置对本专业的技术人员来说就是显而易见的，这些装置也在本装置和方法的范围之内。

如图2和图3所示，代表性电子元件260可电连接到第一电极220和第二电极230。这些电子元件260包括能控制和/或测量电极220、230上的电压和/或电流的任何元件。

按照这些数据存储装置的某些实施例，第一电极220和第二电极230由电子元件保持在基本相同的电位。在电极220、230保持在基本相同的电位时，当发射器240用电子轰击有机材料200的未写入部分，电子以等重的深度分布停留在有机材料200中心的上面和下面时，基本上等量的电流流过第一电极220和第二电极230。但，只要对于均匀材料两个电极中的电流比是恒定的，对读出并不需要等重。这一点将在讨论数据位如何从数据存储介质210中读出时再作进一步讨论。

虽然图2和图3示出发射器240在存储介质210的附近，上述发射器240也可位于能使特定发射器240发射的能量束仅与数据存储介质210的所需区域交互的任何位置。按照某些实施例，发射器240位于数据存储介质210的几微米之内。按照另一些实施例，发射器240直接与数据存储介质210接触。为了帮助在所需区域聚焦，可选择性的使用电子束光学元件使电子束仅与存储介质210上的微米级或亚微米级的所需区域交互。

每个发射器240包括有能向数据存储介质210读出和/或写入数据位的能量源，其方法在下面讨论。每个发射器240例如可包括一个器件，例如但不限于，场发射器(例如硅场发射器)，Spindt发射器、热发射器和/或光发射器。

图2和图3所示的数据存储介质210中的有机材料200包括双层Langmuir-Blodgett薄膜。但在另外的实施例中，有机材料200可包括单层Langmuir-Blodgett薄膜，或可包括不止两层Langmuir-Blodget层。而且，其它有机材料，例如但不限于，导电聚合物和1-D阴极导体也可以用作部分或全部有机材料200。

Langmuir-Blodgett薄膜通常定义为两亲分子的机械组装阵列。最常见的是，Langmuir-Blodgett薄膜的形成是将两亲分子压缩在含水环境的表面上促进分子组装成有序、周期性的结构。然后可以将组装的两亲分子转换成固体表面，例如上述电极220，230之一。

图2和图3所示单层Langmuir-Blodgett薄膜中的分子包括的尾区205，它们附着在头部组207上。尾区205或是极性的，或是非极性的，通常由一个或多个碳链构成，虽然正像本专业技术人员所理解的，其它元素也可构成此链。头部组207也或是极性的，或是非极性的，可以是带正电荷，负电荷或电中性的。

至少当有机材料200中包括有Langmuir-Blodgett薄膜时，在第一电极220和第二电极230之间主要是一维导电成为可能。参阅图2，一维导电发生在来自电子元件260并通过第一电极220的电子通过邻近第一电极220的分子的尾部组205形成“通路”的时候。换句话说，如果电子倾向沿尾部组205的方向向第二电极230运动而且如果这些电子不会“跳”到第一电极220上邻近分子的尾部组205，则发生一维导电。同理，当电子从第二电极230向第一电极220运动，也会发生一维导电。

在图2中，如果电子由邻近第一电极220的分子的尾部组205形成“通路”后，随后又由邻近第二电极230的分子的尾部组205形成“通路”，一维导电通路的长度就可延长。在有更多Langmuir-Blodgett层时，如果在附加Langmuir-Blodgett层中的分子的尾部组205也导通电子的话，一维导电通路的长度就可进一步延长。

上述电极220、230可以包括任何导电材料，例如但不限于难熔金属。当第二电极230位于有机材料200和发射器240之间时，常需要第二电极230由对低能量电子具有长穿透深度的材料制成。这些材料一般具有低原子数或低质量密度。在发射器240发射电子束时，对低能量电子具有长穿透深度的材料有利于电子从发射器240运动到有机材料200。

虽然可以使用较厚的电极220、230，但也可以用非常薄的薄膜作为第二电极230，以更便于电子从发射器240运动到第二电极230。例如，可以使用厚度在100毫微米或10毫微米数量级或更薄的薄膜。

按照某些实施例，例如图4所示，电极220、230可以非常薄，仅由Langmuir-Blodgett层的分子的头部组207构成。在这些实施例中，头部组207通常从有机材料200的中心面向外。虽然这种结构脆弱易碎，但更便于电子束电子从发射器240运动到有机材料200中。

工作时，如上述，数据存储装置可以将数据位写入数据存储介质210并可从数据存储介质210读出数据位。以下将讨论写入过程和读出过程。

用一个或多个发射器240发射的一个或多个相对高能量密度射束(例如电子束，光束，或热辐射)轰击数据存储介质210，就可写入数据存储介质210。这种轰击可以发生在有机材料200的亚微米区(例如，在大小大约为1和500毫微米之间的区域)、微米区(例如，在大小大约为0.5和100微米之间的区域)，或更大一些的区域。可以逐个选择发射器240来向数据存储介质210写入，或选择一组发射器240同时写入数据位。

当一个或多个发射器240轰击如图2所示的Langmuir-Blodgett薄膜时，Langmuir-Blodgett薄膜所发生的物理变化可由图3表示。亦即，尾部组205中的键被高能量密度射束(例如热辐射，或电子或光子束)打断，至少部分断裂、悬空的键会形成新的键，从而使局部有机材料200聚合。或者，头部组207会分解或与尾部组205分离。图2中的有序结构或物相在有机材料200的局部区域就会被图3中无序、部分聚合的结构或物相所代替。

在存储数据时，可以认为图2所示的有序、未写入的结构为“0”数据位。图3所示的无序、写入的结构为“1”数据位。或者，可以用高能密度射束将无序结构转换为有序结构。一种可能性是对该结构加电场来完成转换。例如，在电极220和230上互相相对加偏压，同时用射束局部加热无序区域，在适当温度下一些极性分子就可用电场排齐。在这种情况下，无序结构可以认为是“0”数据位，有序结构是“1”数据位。局部被改为无序状态后不易恢复成有序状态的材料仍可用来创建“一次性写入”、非擦除型的这种数据存储装置。

图3的无序薄膜结构一般高度局限在有机材料200的被高能量密度射束轰击过的容积中。换句话说，无序结构不出现在整个有机材料200上，而是仅出现在高能密度射束已使键断裂和/或使其与邻近的断裂键聚合的区域。在其它有机材料200中(例如导电聚合物)受高能量密度射束的轰击后也可看到这种局部的无序。最好，使用的材料仅在局部引发的温度或各个射束粒子的能量超过某个阈值时才会引起无序。否则，在读出过程中会在存储材料中引发累计的、不需要的变化。如果使用具有温度阈值的材料，就可就不会将材料加热到超过该阈值的低能量密度射束用作读出。如果一种材料，大于某一能量的粒子会引起其无序(例如，使键断裂或使之聚合)，则可将粒子能量低于该阈值的射束用作读出。

无序的局部或容积(即写入数据位)通常具有和邻近有序非聚合的部分(即未写入部分)不同的导电率。此外，无序的、聚合的部分通常没有在一些各向异性的有序结构中所观察到的主要是一维的导电性。这样，就可以用许多方法来检测这些无序的、聚合的部分，如下述。

用发射器240发射的相对低能量密度射束(最好是电子束)轰击数据存储介质210，就可从数据存储介质210读出。低能量密度射束不会导致能显著改变存储介质的温度上升。而且，低能量密度射束中的粒子全部都具有非常低的能量，因此，它们不会显著改变存储介质(例如使键断裂或使之聚合)。所以，暴露在低能量密度读出射束下不会改变数据存储介质210。有机材料200的结构或物相在受低能量密度射束轰击之前和之后保持不变。

从数据存储介质210读出时，第一电极220和第二电极可保持在基本相同的电位。这有助于减少电极间不需要的漏电流，漏电流会使监控读出射束引发的信号电流更为困难。在电极220、230保持在基本相同的电位时，当(1)发射器240轰击有机材料200，电子以等重的深度分布停留在有机材料200中心的上面和下面，以及(2)存储介质200尚未写入时，基本上等量的电流流过第一电极220和第二电极230。这种情况，即基本上等量的电流流过电极时，非常便于识别存储介质200尚未写入的区域。在写入区域，其电阻率相对存储层的中心已有不对称的改变，处于上半层的电子就不再流到上电极。例如，如果在薄膜上半部的一部分电阻率局部增加，当射束入射到该区域时读出电流的大部分会流到下电极。于是，在不同位置轰击数据存储介质210时，在各电极220、230上检测到基本相等的电流时，可读出“0”数据位，当电流不等时，可读出“1”数据位。

由于有机材料200的局部无序通常会改变有机材料200某一区域的局部电阻率，从数据存储介质210上读出数据位的另一种方法包括：在发射器240相对数据存储介质210移动时，监控第一电极220的第一幅度的第一电流，监控第二电极230的第二幅度的第二电流，并比较第一幅度和第二幅度。这种读出方法不要求轰击电子以等重的深度分布停留在有机材料200中心的上面和下面，虽然轰击深度的基本恒定分布可减低信号噪声。

轰击深度的分布由电子的初始能量和有机材料200的性质决定。一般来说，当存储介质210被发射器240轰击时，停留在存储介质210上半部的电子比停留在存储介质210下半部的电子要多(除非使用相当高的射束能量)。这样，即使在未写入区，上电极230也会收集更多的电流。为此，至少在一些情况下，只要监控下电极220上所收集的电流或监控两个电极电流之差，这是有利的。

当有机材料200中包括有Langmuir-Blodgett薄膜或可能有高度各向异性导电率的其它材料时，数据位之间的串扰就可减少。如果在数据存储介质210的平面上有相当可观的导电率，而且如果一个数据位被读出电子束询问，则引入数据存储介质210的部分电子就会横向移动，然后向上或向下通过邻近的数据位到达电极230或220。这样，当射束打到既定数据位时，邻近的数据位就会影响读出电子束所产生的信号。真正的一维导体就可避免这种干扰，更易于紧密组装数据位而没有数据位的相互干扰。

另一种方法是在Langmuir-Blodgett薄膜中引发并监控谐振效应来读出存储在Langmuir-Blodgett薄膜中的数据位。写入时，如果有能影响键断裂的特定入射电子能量，将大于该能量的电子照射用作写入，将小于该能量的电子照射用作读出，就可增加写入和读出之间的裕度。

图5示出在数据存储装置中存储和检索数据的示范方法500的流程图。按照某些实施例，在示范方法的步骤505，提供一个数据存储装置，它包括第一电极、第二电极、位于第一和第二电极之间并含有有机材料的存储介质、以及位于存储介质附近并能以最大为微米级的光点向存储介质的表面发射能量束的发射器。

在示范方法的步骤510，用发射器的高能量密度射束轰击存储介质，向存储介质写入。在示范方法的步骤520，用发射器的低能量密度射束轰击存储介质，从存储介质读出。

按照某些实施例，步骤510可包括用发射器的高能量密度射束轰击有机材料的亚微米级区。而且，步骤510可包括改变有机材料某个区域的局部电阻率。另外，步骤510可包括局部改变有机材料中Langmuir-Blodgatt薄膜的结构。甚至，步骤510可包括局部断裂Langmuir-Blodgett薄膜中的分子键以形成悬挂键和/或聚合至少部分悬挂键。

在某些实施例中，步骤520可包括监控一个电极的电流，或监控两个电极的电流并比较电流的大小。而且，步骤520可包括在存储介质中使用Langmuir-Blodgett薄膜以增强第一电极和第二电极之间的一维导电率。另外，步骤520可包括在从存储介质读出时在Langmuir-Blodgett薄膜中引起谐振效应以增加信噪比。如上述，步骤510可包括用高能量密度的电子束轰击存储介质，而步骤520可包括用低能量密度的电子束轰击存储介质。

作出上述详细说明仅为了理解本发明的示范实施例，不应理解为必不可少的限制，因为在不背离所附权利要求及其等效物的范围对于本专业的技术人员来说，改动是显而易见的。

Claims (10)

1.一种数据存储装置(20)，包括：

第一电极(220)和第二电极(230)；

存储介质(210)，位于所述第一电极和所述第二电极之间，其中所述存储介质包括有机材料(200)；以及

发射器(240)，位于所述存储介质附近，其中所述发射器能够发射能量束。

2.如权利要求1的装置，其特征在于所述第一电极位于所述存储介质和所述发射器之间。

3.如权利要求1的装置，其特征在于所述发射器能够以亚微米级光点大小发射能量束。

4.如权利要求1的装置，其特征在于所述有机材料包括Langmuir-Blodgett薄膜。

5.如权利要求1的装置，其特征在于所述存储介质允许在所述第一电极和所述第二电极之间有高度各向异性的导电率，其特征在于所述高度各向异性的导电率具有较高的导电率。

6.一种在数据存储装置(20)中存储和检索数据的方法(500)，所述方法包括：

提供(505)所述数据存储装置，所述数据存储装置包括：第一电极(220)；第二电极(230)；位于第一和第二电极之间并含有有机材料的存储介质(210)，以及位于存储介质附近并能发射能量束的发射器(240)；

用所述发射器的高能量密度射束轰击所述存储介质，向所述存储介质写入(510)；以及

用所述发射器的低能量密度射束轰击所述存储介质，从所述存储介质读出(520)。

7.如权利要求6的方法，其特征在于所述写入步骤包括从所述发射器用所述高能量密度射束轰击所述有机材料的毫微米级区域。

8.如权利要求6的方法，其特征在于所述读出步骤包括以下步骤：

监控所述第一电极和所述第二电极之一的电流。

9.如权利要求6的方法，其特征在于，所述写入步骤包括用高能量密度的电子束轰击所述存储介质，且所述读出步骤包括用低能量密度的电子束轰击所述存储介质。

10.如权利要求6的方法，其特征在于所述写入步骤包括局部改变所述有机材料中含有的Langmuir-Blodgett薄膜的结构。

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