CN1914688B - 分子存储器件、对其进行读取或写入的方法、存储元件、存储阵列和器件 - Google Patents

分子存储器件、对其进行读取或写入的方法、存储元件、存储阵列和器件 Download PDF

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Abstract

分子存储元件，它包含：开关器件；与所述的开关器件耦合的至少一条第一位线和一条第一字线；以及存储位置阵列，每个存储位置与一条位线和一条字线耦合，所述的元件包括具有存储分子的第一电极，其中存储分子包含氧化还原活性分子，以及所述的阵列包含第二电极。

Description

分子存储器件、对其进行读取或写入的方法、存储元件、存储阵列和器件
本申请是2004年1月28日提交的美国申请序列号10/766304的部分继续申请。 
发明领域
本发明涉及存储器件，例如静态随机存储器、永久随机存储器和动态随机存储器。特别地，本发明涉及分子存储元件、分子存储阵列和包括分子存储的电子器件，特别是逻辑器件。 
发明背景
半导体加工和器件设计的发展导致产生了掺入了似乎无尽的各种工具和机器的计算器件，这些似乎无尽的各种工具和机器例如从常规的可编程计算机到通讯设备和娱乐器件。不管它的最终用途，计算器件通常由三个主要组分组成，中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)以及能够在CPU和RAM之间进行数据交换的寻址和通讯机构。在一种计算器件中，数据以信号(例如，电压、电流、光等)的形式被储存、传递和操控。CPU含有用于逻辑操作信号的线路，从而存储器含有用于在CPU操作那些信号之前、期间和之后储存信号的线路。 
常规的CPUs、储存装置和数据通信机构以固态电子器件的形式被大量生产。虽然有时称为″半导体器件″，但是固态电子器件依靠固体包括金属、半导体和绝缘体的电特性。制备固体器件的技术和设备随时间得到迅速改善，使得能够生产器件如开关、电容器、电阻以及具有亚微米尺度特征的相互连接。 
计算器件的存储部件的性能正变成总体系统性能的一个越来越重要的决定因素。更大数量的存储能够使更多种类的应用和功能被计算器件所实施并可以减少或消除对单独的大量储存装置的需要。存储载体的速度越高，CPU处理频率越高，使得计算器件更可用于复杂的或实时的任务。更密集的储存装置支持靠电池供电的电子器件如便携式计算机、PDAs、多功能移动电话等的种类不断增长。同时，许多这些应用得益于减少的功率消耗。 
在很多情况下，半导体加工技术的改善具有改善这些重要数字中的每一个的效果以制备更稠密、更大、更快和更具有动力的有效储存装置。在很多情况下，所述器件的固态电子行为使得所述器件变得更小。不幸地是，常规的以硅为基础的存储器，例如DRAM存储器，已经达到了一点，其中常规半导体存储器元件的大小继续减少将不利地影响这些重要的参数中的至少一些。 
在更小尺寸下速度减慢和功耗增加的一个原因是储存装置通常为每个储存的信息单位提供一个电容器。电容器是由被绝缘体分开的导电板形成的电荷储存器件。因为电容器变得更小了，因此可以储存的电荷数量也减少了。为了用作一种可靠的存储器件，电容器在必须具有足够的容量以容纳一定水平的以后作为数据可被可靠检测的信号。此外，电容器本身是″渗漏的″器件，因为贮存在电容器中的一些电荷将随时间消散或泄漏。基于更小电容器的储存装置对渗漏问题更敏感，因为它们仅仅具有更少的电荷，其在存储数据变成不能恢复之前可能被丢失。 
为了克服电容性储存的瞬时性质，储存器件使用更新电路，其经常读出储存信号，将它放大至更高水平，接着将它储存回电容器中。由于电容器缩小，电容器需要被更新的速度增加了。反过来，电容器更快的更新速度减少了用于从存储元件读写数据的时间百分比。此外，使用更大百分比的存储器件总功耗以更新存储。即使当所述的器件处于睡眠状态或非活动状态，传统的DRAM也需要持续更新，因此需要持续的功率消耗。因此，研究人员正积极寻找新的储存数据信号的方法，以克服在以常规电容器为基础的储存装置中与更小的电容器有关的问题。 
存储元件设计者试图通过提高在给定量的芯片面积内形成的电容的数量，以在更小的存储单元中保持低的更新速度。提高电容经常涉及增加电容器的电荷容纳材料的表面积，当电容器的总尺寸缩小时其是很难做到的。虽然设计者在通过将电荷保持材料形成到三维沟和叠层电容器设计时，在控制表面积方面取得了一些成功，但是不可能使这些技术继续进步以在更小的器件中具有更大的电容。赖以预测器件性能的固态电子行为随着各种器件部件的尺寸的变得更小而开始下降，这样电容器不再能存储足够的电荷以便在足够的时间内用于存储器件中。 
存储设计者所面临的另一个问题是试图增加信息密度(例 如，在一个给定面积的存储芯片内可以存储的信息量)。常规固态电容器的每一个存储元件仅能存储一比特信息。因此，希望获得一种具有改善的信息存储密度的存储器件，其通过包含一种存储单元而实现，该存储单元可以可靠地存储许多离散状态。 
鉴于以上所述，显然需要一种存储器件，例如动态随机存储器，其克服了由常规固态存储器设计所带来的限制。特别地，需要分子存储单元、分子存储阵列和包括分子存储器的电子器件。此外，需要一种分子存储器件，其可以使用与现有半导体制造实践相容的技术进行制造，这样半导体器件和相互连接可以采用分子存储器件来单片地制造。 
发明概述 
简要地说，本发明的一种实施方案包含一种分子存储元件，其包括一个开关器件、与该开关器件耦合的位线和字线以及可通过该开关器件存取的分子存储器件。该分子存储器件能够被置于两种或多种不连续状态，其中通过施加于位线和字线的信号，将该分子存储器件置于一种不连续状态中。该分子存储器件包括第一电极、第二电极以及在第一电极和第二电极之间的分子材料。 
本发明还涉及包含多个分子存储元件的分子存储阵列，其中每个分子存储元件能够被置于两种或多种不连续状态中。多条位线和字线与多个分子存储元件耦合在一起，这样每个分子存储元件被耦合并且可被至少一条位线和至少一条字线所寻址。 
在另一方面中，本发明关注包含分子存储元件的可寻址阵列的分子存储器件。地址解码器接收编码地址并产生与编码地址相当的字线信号。字线驱动器与地址解码器耦合并产生放大的字线信号。该放大的字线信号控制开关，该开关选择性地将分子存储元件阵列的构件与位线耦合在一起。与位线耦合的读/写逻辑确定该分子存储器件是处于一种读取状态中或是处于一种写入状态中。在一种读取方式中，与每一位线耦合的读出放大器检测选择性地耦合的分子存储元件的一个电子状态，并在指示选择性地耦合分子存储元件的电子状态的位线上产生数据信号。在一种写方式中，读/写逻辑将数据信号推动到位线和选择性地耦合的分子存储元件上。 
本发明还关注包括与嵌入的分子存储器件集成的逻辑电路， 例如专用集成电路(ASIC)和系统芯片(SOC)器件等的器件。这些设备包含一种或多种由分子存储器件单片形成并相互连接的功能性部件。所述的功能性部件可以包含固态电子器件和/或分子电子器件。 
在具体的实施方案中，所述的分子存储器件是继在半导体基底内形成具有有源器件的半导体基底上之后，在该半导体基底上作为层叠结构形成而实施的。在其它实施方案中，所述的分子存储器件是作为微米或纳米大小的孔穴在具有有源器件的半导体基底上实施的，其中有源器件是在半导体基底内形成的。所述的分子存储器件是使用与半导体基底相容的加工技术在该半导体基底上预先形成的有源器件进行制造的。所述的分子存储器件包含，例如，具有两个或多个通过电解质(例如，陶瓷或固体电解质)分开的电极表面的电化学电池。存储分子(例如，具有一种或多种氧化态的分子，其可用于存储信息)与电化学电池中的电极表面耦合。 
本发明的其它方面包括元件的用途，所述的元件独立地选自晶体管开关器件包括场效应晶体管；与字线耦合的行解码器；与位线耦合的列解码器；与位线连接的电流前置放大器；与位线连接的读出放大器；接收编码地址并产生对应于编码地址的字线信号的地址解码器；与地址解码器耦合的线驱动器，其中该线驱动器产生放大的字线信号(任选地其中该放大的字线信号控制开关，该开关选择性地将分子存储元件的阵列的构件与位线耦合)；与位线耦合的读/写逻辑电路，其中该读/写逻辑电路确定所述的分子存储器件是处于读取状态还是处于写入状态中；与每一位线耦合的读出放大器，其中当该器件处于读取状态时，与每一位线耦合的读出放大器检测选择性地耦合的分子存储元件的电子状态并在指示选择性地耦合的分子存储元件的电子状态的位线上产生数据信号(这样当该器件处于写入状态时，所述的读/写逻辑电路将数据信号驱动到位线和选择性地耦合的分子存储元件上)电解质层；及其组合。 
另一方面利用与地面耦合的第二电极，并且位线和字线是垂直的或并行的。 
本发明的其它方面包括存储器阵列，包含易失性存储器例如DRAM或SRAM，或非易失性存储器例如快擦型存储器或铁电存储器。 
另一方面提供阵列，其中所述的分子存储器件包含在第一电极上生成的连接层，其中所述的连接层包含一个开口，并且其中所述的分子材料处于该开口中并与第二电极层电子耦合；以及在所述的连接层上生成的电解质层。 
其它方面提供ReAM，选自卟啉大环化合物、金属茂、线性多烯、环状多烯、杂原子取代的线性多烯、杂原子取代的环状多烯、四硫杂富瓦烯、四硒杂富瓦烯、金属配位化合物、巴基球、三芳基胺、1，4-苯二胺、呫吨、核黄素、吩嗪、吩噻嗪、吖啶、喹啉、2，2′-联吡啶、4，4′-联吡啶、四硫代并四苯或迫位桥萘二硫化物。 
另一方面提供包含被构造成用来执行特定功能的逻辑器件和与该逻辑器件耦合的本发明的嵌入式分子存储器件的单片集成器件。所述的器件可以任选地包含专用集成电路(ASIC)、系统芯片(SOC)、固态电子器件或分子电子器件。 
附图的简要说明 
图1以框图形式说明的根据本发明的一种实施方案的示范性存储器件和存储器阵列； 
图2说明本发明的具有嵌入的分子存储器的示范性系统芯片(SOC)； 
图3说明根据本发明的一种实施方案的示范性分子存储单元； 
图4表示在运行本发明的存储器阵列中所用的时序图； 
图5表示叠层电容器实施方案的分子存储器件的简化剖面图； 
图6表示″分子孔″实施方案的分子存储器件的简化剖面图； 
图7和图8是环状伏安图，说明电流-电压特性的示范性存储分子的实施； 
图9表示本发明的示范性分子存储装置的电流-电压特性曲线； 
图10示意性地表示在本发明中使用的读/写电路；和 
图11表示根据一种具体设备的存储器件和载体接触面和控制逻辑。 
图12A-12H分别表示氧化还原-活性分子的分子式，在图12A 中以金属茂的形式，在图12B-12G中其具体实施方案以二茂铁的形式，在图12H中以卟啉的形式。 
图13A、13B和13C描述本发明的各种实施方案。图13A描述了包含两种氧化还原活性亚单元(卟啉和二茂铁)的ReAM。图13B是类似的，但是描述了可能的取代基。图13C描述了13B中的结构的一种聚合物，其中h是至少为2的整数。 
图14A、14B和14C示意性地描述了各种聚合物构型。图14C描述了在电极505上带有独立选择的连接子510的独立选择的ReAMs的Z-方向的线性聚合物。n是0或更大的整数，优选1-8，并且没有描述连接部分。图14B描述了14A中带交联515的Z-方向线性聚合物。如下所述，还考虑带有1个或多个分支点的支链Z-方向聚合物。图14C描述X-Y方向的带多个连接部分520的线性ReAM聚合物；还考虑使用包含ReAMs的不同线性聚合物并且可以使用带有均聚物或杂聚物的表面。还考虑带有任选交联的分枝ReAM聚合物。 
图15描述宽的大环配体(例如前配体(当q是0时)或络合物(当q是1时)。 
图16A、16B和16C描述了本发明的合适的ReAMs的一些实施方案。这些结构使用氮作为杂原子配位原子，虽然可供选择的杂原子(特别是氧和硫)可以被使用(虽然可以改变大环化合物的化合价，这一点是本领域技术人员知道的)。图16A是酞菁衍生物，13B是卟啉衍生物，以及13C是扩环的卟啉。 
图17A-171描述了基于环烯衍生物的大环前配体；金属离子没有表示出，并且将会知道，还有其它的氢原子没有描述。所述的衍生物可以是12、13、14、15或16元环，取决于-Y-结构中骨架原子的数目，并且其它的骨架原子可以是碳或杂原子。在图17B中，一种12元环中，A、B、C和D可以独立地选自单键和双键。在图17C中，所述的环烯在两个杂原子间具有″桥″，并且每个A-B独立地选自CR2CR2、CR＝CR、CR2CR2CR2、CR＝CR CR2、CR2CR＝CR、CR2-NR-CR2-、-CR＝N-CR2-和-CR2-N＝CR-。图17D-17G描述了具有可利用的取代基位置的各种特定结构。图17H描述了该环烯衍生物的″臂″之一的″失去″；从这里的教导可以知道，基于其它环烯的各种衍生物也可以改变键的化合价并除去R基团。图17I是带有5个供体杂原 子的大环前配体。在有些情况下，可以使用更大的环并产生多核络合物。此外，在此所述的这些大环前配体和络合物或其混合物的任何或全部，以及与其它类型的ReAMs的混合物，都可以在聚合反应中用作单体。 
优选实施方案的详细说明 
本发明关注多个器件和系统结构，其能够使用分子存储元件(在此以及相关的申请中有时称为″存储分子″或″记忆分子″)并从常规微电子技术发展中获益。在本发明的一个水平上，本发明涉及分子存储元件，其将存储分子与能够读和写该存储分子的开关逻辑电路集成起来。在另一个极端的水平上，本发明关注具有逻辑器件的高度集成的电路，包括数据处理电路、具有分子存储阵列的集成单片以提供新的和有用的功能，其平衡一个或多个分子存储的独特性质，例如使用较低的电源、优越的数据持久性、优越的的信息密度等。 
在本发明中使用各式各样的合适的存储分子，其基于氧化还原活性部分或氧化还原活性分子。在此的术语″氧化还原活性部分″或″氧化还原活性分子″或″ReAM″是指通过使用一种合适的电压能够被氧化或还原的部分。在本文中的合适的电压是在常规微电子学中所使用的那些。 
在一些实施方案中，所述的氧化还原活性部分具有至少两种或多种可区别的非中性氧化状态，可以使用至少3、4、5、6、7、8或更高的氧化态，特别是在每分子中存储多位时。在一些实施方案中，特别是当不同的ReAMs的混合物在每一存储位置使用时，单独的ReAMs可以仅具有一种单一的非中性氧化作用状态，但是在每一位置收集不同部分为存储密度提供了多种氧化状态。此外，在ReAM聚合物的情况中，使用具有较少氧化状态的不同单体的杂聚物还可以导致多种氧化状态。 
或者，在一些实施方案中，可以使用具有高电荷密度的存储器件，其中多重电荷(例如电子)在相同的电压下读取；例如，在特定的电压下存储分子的氧化可以导致丧失2个或3个而不是1个电子。因此，ReAMs可以被设计成具有较少的氧化状态，但是在每一状态下放弃更多的电子，引起在表面上更高的电荷密度。 
″氧化″是指元素、化合物或化学取代基/亚单元中一个或多个 电子的丧失。在一种氧化反应中，电子是通过在该反应中的元素的原子而丧失的。然后，这些原子上的电荷必须变得更阳性。电子从经历氧化的物质中丧失，这样电子作为在氧化反应中的产物出现。氧化在反应Fe3+(水的)->Fe3+(水的)+e-中发生，因为电子从被氧化的物质Fe3+(水的)中丧失，因为在氧化反应中以″游离″实体的形式表观产生电子。反之，术语″还原″是指从元素、化合物或化学取代基/亚单元获得一个或多个电子。 
″氧化状态″是指电中性状态或通过ReAM或氧化还原活性亚基的电子获得或丧失所产生的状态。在一种优选实施方案中，术语″氧化状态″是指状态，其包括中性状态和除由电子的获得或丧失(还原或氧化)所引起的中性状态以外的任何状态。 
通常，如下所述，在本发明中使用几种类型的ReAMs，所有都基于多齿前配体，包括大环和非大环部分。许多合适的前配体和络合物以及合适的取代基在美国专利号6,212,093；6,728,129；6,451,942；6,777,516；6,381,169；6,208,553；6,657,884；6,272,038；6,484,394；以及U.S.S.N.s 10/040,059；10/682,868；10/445,977；10/834,630；10/135,220；10/723,315；10/456,321；10/376,865中罗列；所有这些被清楚地引入作为参考，特别是所述的结构及其说明。 
合适的前配体分成两类：使用氮、氧、硫、碳或磷原子(取决于金属离子)作为配位原子(在文献中泛指σ(a)供体)的配体和有机金属配体如金属茂配体(在文献中泛指pi(π)供体，并且在此被描述为Lm)。 
此外，单个的ReAM可以具有两个或多个氧化还原活性亚单元。例如，如图13A所示，存在两个氧化还原活性亚单元，卟啉(表示在图13中在没有金属的情况下)和二茂铁(其中两者都可任选独立地被所选择的取代基在任何位置取代，如下所述和描述在图13B中)，通常，但是任选地，通过连接基L连接。类似地，夹心配位化合物可以考虑为单一的ReAM。这与所述的情况不同，其中这些ReAMs作为单体被聚合；例如，图13C描述了一种图13B的聚合式，其中h是2或更大的整数。此外，本发明的金属离子/络合物可以与一种抗衡离子缔合，通常没有在此描述。 
大环配体 
在一种实施方案中，所述的ReAM是一种大环配体，其包括 大环前配体和大环络合物。在此的术语″大环前配体″是指一种环状化合物，其含有定向的给体原子(有时在此被称为″配位原子″)，这样它们可以与一种金属离子结合，并且其足够地大以包围所述的金属原子。通常，所述的给体原子是杂原子，包括但不限于，氮、氧和硫，其中前者尤其是优选的。然而，本领域技术人员知道，不同的金属离子优先与不同的杂原子结合，因此，所使用的杂原子可以取决于所需的金属离子。此外，在一些实施方案中，单一的大环化合物可以含有不同类型的杂原子。 
″大环络合物″是一种具有至少一个金属离子的大环前配体；在一些实施方案中，所述的大环络合物包含单一的金属离子，虽然如下所述，也可以使用多核络合物，包括多核大环络合物。 
在本发明中可以使用各式各样的大环配体，包括电子共轭的那些以及没有电子共轭的那些；然而，本发明的大环配体优选具有至少一种，以及优选两种或多种氧化状态，其中4、6和8氧化状态是特别有意义的。 
合适的大环配体的宽图解被表示和描述在图15中。在此实施方案中，大致基于卟啉，16元环(当-X-部分含有单一原子，碳或杂原子时)，17元环(其中-X-部分之一含有两个骨架原子)，18元环(其中两个-X-部分含有两个骨架原子)，19元环(其中三个-X-部分含有两个骨架原子)或20元环(其中所有四个-X-部分都含有两个骨架原子)。每个-X-基团是独立地选择的。所述的...Q...部分，与骨架-C-杂原子-C一起(单键或双键独立地连接碳和杂原子)构成5或6元环，其任选地被1或2个(在5元环的情况下)或1、2或3个(在6元环的情况下)独立地选自R2的基团所取代。在一些实施方案中，选择所述的环、键和取代基产生电子共轭的并且至少具有至少两种氧化状态的化合物。 
在一些实施方案中，本发明的大环配体选自卟啉(特别是下面所定义的卟啉衍生物)和环烯衍生物。 
卟啉 
适用于本发明的大环化合物的特别优选的子集是卟啉，包括卟啉衍生物。这些衍生物包括具有与卟啉核邻位稠合或邻位-迫位稠合的额外环的卟啉、卟啉环的一个或多个碳原子被另一种元素的原子代替(骨架代替)得到的卟啉、卟啉环的一个氮原子被另一种元素的一个原 子代替(氮的骨架代替)后得到的衍生物、在外围具有除氢以外的取代基的衍生物(卟啉的间-、(卟啉的3-或核心原子、卟啉的一条或多条键饱和的衍生物(氢化卟啉，例如，二氢卟酚、菌绿素、异菌绿素、十氢卟啉、corphins、pyrrocorphins等)、具有一个或多个原子，包括吡咯基和吡咯次甲基单元插入到卟啉环中(扩环的卟啉)衍生物、具有一个或多个从卟啉环中除去的基团的衍生物(缩环的卟啉，例如，咕啉，corrole)以及上述衍生物的组合(例如酞菁，亚酞菁以及卟啉异构体)。其它的合适的卟啉衍生物包括，但不局限于叶绿素基团，包括初卟啉合镁盐、吡咯卟啉、玫红卟啉、叶卟啉、叶赤素、叶绿素a和b、以及血红蛋白基团，包括次卟啉、次氯血红素、氯高铁血红素、正铁血红素、原卟啉、中氯化血红素、血卟啉、中卟啉、粪卟啉、uruporphyrin和羽红铜卟啉以及一系列四芳基氮杂二吡咯次甲基。 
对在此所列的化合物来说是正确的以及本领域技术人员可以理解的是，每个不饱和位置，不管是碳原子或杂原子，根据该体系所需的化合价，可以包括在此所定义的一个或多个取代基。 
在一种优选的实施方案中，所述的氧化还原-活性分子可以是如图12A的式中所示的金属茂，其中L是连接基，M是金属(例如，Fe、Ru、Os、Co、Ni、Ti、Nb、Mn、Re、V、Cr、W)，S′和SZ是取代基，所述的取代基独立地选自芳基、苯基、环烷基、烷基、卤素、烷氧基、烷硫基、全氟烷基、全氟芳基、吡啶基、氰基、氰硫基、硝基、氨基、烷基氨基、酰基、磺基、磺酰基、亚氨基、酰氨基和氨基甲酰基。在优选实施方案中，取代芳基附着于卟啉，并且芳基上的取代基选自芳基、苯基、环烷基、烷基、卤素、烷氧基、烷硫基、全氟烷基、全氟芳基、吡啶基、氰基、氰硫基、硝基、氨基、烷基氨基、酰基、磺基、磺酰基、亚氨基、酰氨基和氨基甲酰基。 
特别优选的取代基包括，但不局限于，4-氯苯基、3-乙酰胺基苯基、2，4-二氯-4-三氟甲基。优选的取代基提供小于约2伏特的氧化还原电势范围。X选自基质，可以与基底(例如醇，硫醇等)共价耦合的活性部位。可以理解，在一些实施方案中，L-X可以是醇或硫醇。在某些情况中，L-X可以用另一种取代基(S3)如S1或S2替换。在某些实施方案中，L-X可以存在或不存在，以及当存在时，L-X优选是4-羟基苯基、4-(2-(4-羟基苯基)乙炔基)苯基、4-羟甲基)苯基、4-巯基苯基、 4-(2-(4-巯基苯基)乙炔基)苯基、4-(巯基甲基)苯基、4-氢硒基苯基、4-(2-(4-氢硒基苯基)乙炔基)苯基、4-(氢硒基甲基)苯基、4-氢碲基苯基、4-(2-(4-氢碲基苯基)乙炔基)苯基和4-(氢碲基甲基)苯基。 
图12A的所述式的分子的氧化状态是由金属和取代基确定的。因此，特别优选的实施方案是通过图12B-12G的式举例说明的。 
在上面这些图的式中所列的二茂铁提供了一系列方便的具有不同的和可区别的氧化状态的单比特分子。因此，这些式的分子分别具有+0.55V、+0.48V、+0.39V、+0.17V、-0.05V和-0.18V的氧化状态(Eli2)，并且提供了一系列用于掺入本发明的存储介质方便的分子。本领域技术人员知道，所述系列成员的氧化电位通常可以通过改变金属(M)或取代基来进行改变。 
另一种优选的氧化还原-活性分子是图12H的式所示的卟啉，其中F是氧化还原-活性亚单元(例如，二茂铁、取代的二茂铁、金属卟啉或金属二氢卟吩等)，JI是连接子，M是金属(例如，Zn、Mg、Cd、Hg、Cu、Ag、Au、Ni、Pd、Pt、Co、Rh、Ir、Mn、B、Al、Ga、Pb和Sn)，S1和S2独立地选自芳基、苯基、环烷基、烷基、卤素、烷氧基、烷硫基、全氟烷基、全氟芳基、吡啶基、氰基、氰硫基、硝基、氨基、烷基氨基、酰基、磺基、磺酰基、亚氨基、酰氨基和氨基甲酰基，其中所述的取代基提供小于约2伏特的氧化还原电势范围，KI、KZ、K3和K4独立地选自N、O、S、Se、Te和CH；L是连接子；X选自基底、可与基底共价耦合的活性位置以及可与基底离子耦合的活性位置。在优选的实施方案中，X或L-X可以是醇或硫醇。在一些实施方案中，L-X可以被消除或被独立地选自与Slor S2相同的组的取代基所代替。 
对在本发明的存储器件中使用的氧化还原活性分子的氧化还原活性单元的空穴-存储和空穴-跳跃性质的控制将很好地控制存储器件的结构。 
这种控制是通过人工设计进行的。所述的空穴-存储性质取决于其本身是神奇的氧化还原活性单元或子单元的氧化电势，该单元或子单元被用于组装在本发明中使用的存储介质。所述的空穴-存储性质和氧化还原电势可以通过选择基础分子、缔合的金属和周围取代基进行精确调节(Yang等(1999)J.Porphyrins Phthalocyanines，3：117-147)， 其内容在此引入作为参考。 
例如，在卟啉的情况中，Mg卟啉比Zn卟啉更容易被氧化，吸电子或放电子芳基可以以可预见的方式调节氧化性质。空穴-跳跃出现在纳米结构的等能卟啉中并经由加入卟啉的共价连接子进行介导(Seth等(1994)J.Am.Chem.Soc.，116：10578-10592，Seth等(1996)J.Am.Chem.Soc.，118：11194-11207，Strachan等(1997)J.Am.Chem.Soc.，119：11191-11201；Li等(1997)J.Mater.Chem.，7：1245-1262，Strachan等(1998)，Inorg.Chem.，37：1191-1201，Yang等(1999)J.Am.Chem.Soc.，121：4008-4018)，其公开在此被整个具体地引入作为参考。 
具有预定氧化还原电势的化合物的设计对于本领域普通技术人员来说是公知的。通常，氧化还原-活性单元或子单元的氧化电势对本领域熟练技术人员来说是公知的并且可以被查到(例如，参见Handbook of Electrochemistry of the Elements)。此外，通常，各种取代基对分子的氧化还原电势的作用通常是加和性的。因此，任何电势数据存储分子的理论氧化电势可以很容易地被预测。实际的氧化电势，特别是信息存储分子或信息存储介质的氧化电势，可以根据标准方法进行测定。典型地，所述的氧化电位是通过比较实验测得的基础分子和带一个取代基的基础分子的氧化电位进行预测的，以便确定由于特定取代基所导致的电位漂移。然后，各个取代基的这些取代基-决定的电位偏移的总和得到预测的氧化电位。 
在本发明的方法中使用的具体的氧化还原-活性分子的适用性可以很容易地被确定。根据本发明的方法，使人感兴趣的分子只不过是聚合的并且与表面(例如，氢钝化的表面)耦合的。然后，可以进行正弦伏安法(例如，如在此所述的或在美国专利6,272,038；6,212,093和6,208,553中以及在PCT公开文本WO 01/03126中所述的，或者由(Roth等(2000)Vac.Sci.Technol.B 18：2359-2364；Roth等(2003)J.Am.Chem.Soc.125：505-517)以评价1)分子是否与表面耦合，2)覆盖度(耦合)；3)分子在耦合期间是否降解，以及4)分子多次读/写操作的稳定性。 
此外，在卟啉″″的定义中还包括卟啉络合物，其包含卟啉前配体和至少一种金属离子。用于卟啉化合物的合适的金属将取决于用作配位原子的杂原子，但是通常选自过渡金属离子。在此所使用的术语″过渡金属″典型地是指周期表第3至12族的38种元素。典型地， 过渡金属的特征在于这样的事实：它们的价电子或者它们用于与其它元素结合的电子存在于不止一种外壳并因此经常表现出若干常见的氧化状态。在某些实施方案中，本发明的过渡金属包括，但不局限于一种或多种钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金、汞以及第104号元素和/或其氧化物、和/或氮化物、和/或合金、和/或混合物。 
其它大环化合物 
还有许多基于环烯衍生物的大环化合物。图17描述了许多大环前配体松散地基于环烯/环胺衍生物，其可通过包含独立选择的碳或杂原子进行骨架扩充。在一些实施方案中，至少一个R基团是氧化还原活性的亚单位，优选与金属电共轭。在一些实施方案中，当至少一个R基团是氧化还原活性的亚单位时，两个或多个相邻的R2基团形成环状基团或芳基。 
此外，在一些实施方案中，使用依赖于机金属配体的大环络合物。除了用作氧化还原部分的纯粹的有机化合物和含有供体原子作为杂环或环外取代基的具有δ-键有机配体的各种过渡金属配位络合物之外，还可以使用各种各样的具有-键有机配体的过渡金属有机金属化合物(参见Advanced Inorganic Chemistry，5th Ed.，Cotton & Wilkinson，John Wiley & Sons，1988，chapter 26；Organometallics，A ConciseIntroduction，Elschenbroich etal.，2nd Ed.，1992，VCH；和Comprehensive Organometallic Chemistry II，A Review of theLiterature 1982-1994，Abel etal.Ed.，Vol.7，chapters 7，8，10 & 11，Pergamon Press，在此清楚地引入作为参考)。这些有机金属配体包括环状芳香族化合物，例如环戊二烯阴离子[C5H5(-1)]和各种环上取代的和环稠合的衍生物，例如茚阴(-1)离子，其得到一类二(环戊二烯基)金属化合物，(即金属茂)；例如，参见Robins等，J.Am.Chem.Soc.104：1882-1893(1982)；和Gassman等，J.Am.Chem.Soc.108：4228-4229(1986)，引入作为参考。在这些当中，二茂铁[(C5H5)2Fe]及其衍生物是原型实例，其已用于各式各样的化学(Connelly等，Chem.Rev.96：877-910(1996)，引入作为参考)和电化学(Geiger等，Advances inOrganometallic Chemistry 23：1-93；和Geiger等，Advances in Organometallic Chemistry 24：87，引入作为参考)电子转移或″氧化还原″反应。各种第一、第二和第三排过渡金属的金属茂衍生物是可用的氧化还原部分(以及氧化还原亚单元)。其它可能合适的有机金属配体包括环状芳烯例如苯，用以获得二(芳烯)金属化合物以及它们的环上取代和环稠合的衍生物，其中二(苯)铬是原型实例，其它非环状π-键配体例如烯丙基(-1)离子或丁二烯获得可能合适的有机金属化合物，以及所有这些配体，与其它π-键和δ-键配体一起构成有机金属化合物的一般类型，其中存在一个金属-碳键。对这些含有桥连有机配体以及其它非桥连配体，以及有和没有金属-金属键的化合物的各种二聚体和寡聚物的电化学研究都是有用的。 
当一种或多种共-配体是有机金属配体时，所述的配体通常通过有机金属配体的碳原子之一进行连接，虽然连接可以通过杂环配体的其它原子。优选的有机金属配体包括金属茂配体，包括取代的衍生物和金属茂ophanes(参见上文Cotton and Wilkenson的第1174页)。例如，金属茂配体的衍生物如甲基环戊二烯基，优选多甲基，例如五甲基环戊二烯基，可以被用于增加金属茂的稳定性。在一些实施方案中，所述的金属茂被在此所列的一个或多个取代基衍生化，特别是改变亚单元或部分的氧化还原电势。 
如在此所述的，可以使用配体的任何组合。优选的组合包括：a)所有配体是氮供体配体；b)所有配体是有机金属配体。 
夹心配位络合物 
在一些实施方案中，所述的ReAMs是夹心配位化合物。术语″夹心配位化合物″或″夹心配位络合物″是指式L-Mn-L的化合物，其中每个L是杂环配体(如下所述)，每个M是金属，n是2或以上，最优选2或3，以及每个金属位于一对配体之间并与每一配体中的一个或多个杂原子连接(并且典型地，许多杂原子，例如2、3、4、5)(取决于所述金属的氧化状态)。因此，夹心配位化合物不是有机金属化合物如二茂铁，其中所述金属与碳原子连接。在夹心配位化合物中的配体通常沿层叠方向排列(即，通常是双面定向的并且轴向互相对齐的，虽然它们可以或不可以围绕彼此之间相对的轴转动)(参见，例如，Ng和Jiang(1997)Chemical Society Reviews 26：433-442)引入作为参考。夹心配位络合物包括，但不局限于，″双层夹心配位化合物″和″三层夹心配 位化合物″。夹心配位化合物的合成和使用详细描述在美国专利号6,212,093；6,451,942；6,777,516中；这些分子的聚合描述在U.S.S.N.____，名称为Procedure for Preparing Redox-Active Polymers onSurfaces，Bocian，Liu和Lindsay，转让给the Regents of the Universityof California，所有在此引入作为参考，特别是单独的取代基，其在夹心络合物和单一″大环化合物″络合物中使用。 
术语″双层夹心配位化合物″是指如上所述的夹心配位化合物，其中n是2，因此具有式L′-M′-LZ，其中L1和LZ中的每一个可以相同或不同(参见，例如，Jiang等(1999)J.Porphyrins Phthalocyanines3：322-328)和美国专利号6,212,093；6,451,942；6,777,516；这些分子的聚合描述在U.S.S.N.____，名称为Procedure for Preparing Redox-ActivePolymers on Surfaces，Bocian，Liu和Lindsay，转让给the Regents of theUniversity of California中，所有在此引入作为参考。 
术语″三层夹心配位化合物″是指如上所述的夹心配位化合物，其中n是3，因此具有式L′-M′LZ-MZ-L3，其中L1、LZ和L3中的每一个可以相同或不同，并且MI和MZ可以相同或不同(参见，例如，Arnold等(1999)Chemistry Letters 483-484)和美国专利号6,212,093；6,451,942；6,777,516；这些分子的聚合描述在U.S.S.N.____，名称为Procedure for Preparing Redox-Active Polymers on Surfaces，Bocian，Liu和Lindsay，转让给the Regents of the University ofCalifornia中，所有在此引入作为参考。 
此外，也可以使用这些夹心化合物的聚合物；这包括如U.S.S.N 6,212,093；6,451,942；6,777,516中所述的″dyads″和″triads″；这些分子的聚合描述在U.S.S.N.____，名称为Procedure for PreparingRedox-Active Polymers on Surfaces，Bocian，Liu和Lindsay，转让给theRegents of the University of California中，以及如＊＊＊____中和在此所述的聚合物。 
非大环前配体和络合物 
通常，包含非大环螯合剂的ReAMs与金属离子结合以生成非大环螯合物，由于存在金属，使得多个前配体结合在一起以得到多种氧化状态。 
在一些实施方案中，使用氮供体前配体。合适的氮供体前配 体在本领域中是公知的并且包括，但不局限于，NH2；NHR；NRR′；吡啶；吡嗪；异烟酰胺；咪唑；二吡啶和二吡啶的取代衍生物；三吡啶和取代衍生物；菲咯啉，特别是1，10-菲咯啉(简写phen)和菲咯啉的取代衍生物例如4，7-二甲基菲咯啉和二吡啶酚[3，2-a：2′，3′-c]吩嗪(简称dppz)；二吡啶并吩嗪；1，4，5，8，9，12-六氮杂三亚苯(简写hat)；9，10-菲醌二亚胺(简写phi)；1，4，5，8-四氮杂菲(简写tap)；1，4，8，11-四氮杂环十四烷(简写环胺)和异氰化物。还可以使用取代衍生物，包括稠合衍生物。应当注意到，没有以配位方式使金属离子饱和并且需要加入另一种前配体的大环配体被认为是非大环的。本领域技术人员知道，有可能共价连接许多″非大环″配体以形成以配位方式饱和的化合物，但是其缺乏环状骨架。 
使用碳、氧、硫和磷的合适的σ供体配体在本领域中是已知的。例如，合适的σ碳供体在Cotton and Wilkenson，Advanced OrganicChemistry，第五版，John Wiley & Sons，1988中找到，在此引入作为参考；例如，参见第38页。类似地，合适的氧配体包括本领域已知的冠醚、水等。膦和取代的膦也是合适的；参见Cotton and Wilkenson的第38页。 
所述的氧、硫、磷和氮-供体配体以这样一种方式连接以使杂原子用作配位原子。 
多核前配体和络合物 
此外，一些实施方案使用作为多核配体的多齿配体，例如它们能够结合一个以上的金属离子。这些可以是大环的或非大环的。 
许多合适的前配体和络合物以及合适的取代基在美国专利号6,212,093；6,728,129；6,451,942；6,777,516；6,381,169；6,208,553；6,657,884；6,272,038；6,484,394；以及U.S.S.N.s 10/040,059；10/682,868；10/445,977；10/834,630；10/135,220；10/723,315；10/456,321；10/376,865中罗列了；所有清楚地引入作为参考，特别是对于所述的结构和说明。 
聚合物 
本发明的存储元件还可以包含如上面所列的ReAMs的聚合物；例如，可以使用卟啉聚合物(包括卟啉络合物的聚合物)、大环化合物络合物的聚合物、包含两个氧化还原活性亚单元的ReAMs等。所述的聚合物可以是均聚物或杂聚物，并且可以包括单体ReAMs的任何数 目的不同混合物(掺合物)，其中″单体″还可以包括ReAMs，其包含两个或多个亚单元(例如，一种夹心配位化合物、被一个或多个二茂铁取代的卟啉衍生物，等)。ReAM聚合物描述在U.S.S.N.U.S.S.N.____中，名称为Procedure for Preparing Redox-Active Polymers on Surfaces，Bocian，Liu and Lindsay，属于the Regents of the University ofCalifornia，其在此通过参考文献整个清楚地引入作为参考。 
可以改变电极上的聚合物的构型。在一些实施方案中，所述的聚合物在Z方向上是线性的(垂直于基质表面的方向，如图14A中所述)，并且可以是任选地交联的(图14B)。还可以考虑Z方向上的支化聚合物，并且同样可以是任选地交联的。还包括X-Y方向上的线性聚合物(图14C)，或分枝和/或交联聚合物。此外，聚合物的混合物可以被用于任何这些构型。 
在一些实施方案中，控制ReAMs方向和空间的构型(包括连接基的选择)，不管聚合的或单体的，是优选的，因为通常可以实现更高密度的ReAMs，以及更好的电子转移和电子转移速率。连接子长度可以有助于电荷的速率和保持。 
通常，聚合实施方案依靠于取代基的使用，其将引起电极表面的连接以及聚合为其它ReAMs。如U.S.S.N.中所述，其名称为Procedure for Preparing Redox-Active Polymers on Surfaces，Bocian，Liu and Lindsay，转让给the Regents of the University of California，合成这些ReAMs存在两种一般方法：在表面上″原位″聚合，预聚合接着使用一个或多个连接部分加入该表面，详细描述在U.S.S.N.U.S.S.N.中，名称为Procedure for Preparing Redox-Active Polymers on Surfaces，Bocian，Liu and Lindsay，转让给the Regents of the University ofCalifornia，其在此清楚地整个引入作为参考，特别是指″一步″和″两步″聚合/连接步骤。 
取代基 
在此所述的许多化合物使用取代基，通常在此描述为″R″。合适的R基团包括，但不局限于，氢、烷基、醇、芳基、氨基、酰胺基、硝基、醚、酯、醛、磺酰基、硅部分、卤素、氰基、酰基、含硫部分、含磷部分、酰胺基、亚氨基、氨基甲酰基、连接子、连接部分以及其它ReAMs(例如亚单元)。应注意，一些位置上可允许两种取代 基团，R和R′，而在这种情况下，R和R′基团可以相同或不同，并且优选该取代基之一是氢。 
在一些实施方案中，R基团如美国专利号的图和本文中定义和描述的那样，许多合适的前配体和络合物以及合适的取代基在美国专利号6,212,093；6,728,129；6,451,942；6,777,516；6,381,169；6,208,553；6,657,884；6,272,038；6,484,394；和U.S.S.N.s 10/040,059；10/682,868；10/445,977；10/834,630；10/135,220；10/723,315；10/456,321；10/376,865中列出，所有的这些文献在此引入作为参考，特别是关于其结构和说明，在此清楚地引入作为取代实施方案，用于说明具体的大环化合物和其进一步取代的衍生物。 
在此的术语″烷基″或其语法等同物是指直链或支链烷基，其中直链烷基是优选的。如果是支烷的话，可以在一个或多个位置上分枝，并且除非另有说明，可以在任何位置是分枝。烷基可以具有约1-约30个碳原子(C1-C30)，在一个优选的实施方案中，烷基具有约1-约20个碳原子(C1-C20)，其中约C1至约C12-约C15是优选的，并且C1-C5是特别优选的。烷基的定义还包括环烷基如C5和C6环，以及具有氮、氧、硫或磷的杂环。烷基还包括杂烷基，具有硫、氧、氮的杂原子，其中硅氧烷是优选的。 
在此的术语″芳基″或语法等同物是指芳香族芳环包括单环体系和多环体系，以及杂环芳环如吡啶、呋喃、噻吩、吡咯、吲哚和嘌呤。 
″烷基″和″芳基″的定义包括取代烷基和取代芳基。也就是说，烷基和芳基可以被一个或多个在此所定义的″R″取代基所取代。例如，苯基可以是被一个或多个R基团取代的取代苯基。优选的烷基是烷硫基、全氟烷基、烷基氨基和烷氧基。 
在此的术语″氨基″或其语法等同物是指-NH2、-NHR和-NR2基团，具有R如在此所定义。 
在此的术语″硝基″是指-NO2基团。 
在此的术语″含硫部分″是指含有硫原子的化合物，包括，但不局限于，硫杂-、硫代-和磺基-化合物、硫醇(-SH和-SR)以及硫醚(-RSR-)，包括亚砜基和磺酰基。在此的术语″含磷部分″是指含有磷的化合物，包括但不限于膦和磷酸酯。在此的术语″含硅部分″在此含有硅 的化合物。 
在此的术语″醚″是指-O-R基团。优选的醚包括烷氧基，其中-O-(CH2)2CH3和-O-(CH2)4CH3是优选的。 
在此的术语″酯″是指-COOR基团。 
在此的术语″卤素″是指溴、碘、氯或氟。优选的取代烷基是部分或完全卤代的烷基例如CF3等等。 
在此的术语″醛″是指-RCOH基团。 
在此的术语″醇″是指-OH基团，以及烷基醇是指-ROH。 
在此的术语″酰胺基″是指-RCONH-或RCONR-基团。 
在此的术语″乙二醇″是指-(O-CH2-CH2)n-基团，虽然亚乙基的每个碳原子还可能被单或双取得，即-(O-CR2-CR2)n-，其中R如上所述。用其它杂原子代替氧的乙二醇衍生物(即-(N-CH2-CH2)n-或-(S-CH2-CH2)n-，或用取代基团)也是优选的。 
连接部分 
在此所述的连接部分(在此描述成″Z″)用来连接本发明的ReAMs与电极。″带连接基的分子″包括分子，其中该连接基团是该分子的固有组分，将分子衍生化以加入一个连接基团，以及将分子衍生化以使其具有包含连接基团的连接物。 
连接部分的性质取决于电极基质的组成。通常，连接部分与连接物(如果存在的话)一起将存储分子与电极电子耦合。在本文中，″电子耦合″是指存储分子和电极之间缔合，使得电子从存储介质/分子中移向电极或从电极移向存储介质/分子，并由此改变存储介质/分子的氧化态。电耦合可以包括在存储介质/分子和电极之间的直接共价连接、间接共价耦合(例如，通过连接基)、存储介质/分子和电极之间的直接或间接离子键合或其它键合(例如，疏水键合)。此外，可能不需要实际的键合，存储介质/分子可以仅仅与电极表面接触。此外，不需要在电极和存储介质/分子之间进行任何接触，其中该电极充分接近于存储介质/分子以在介质/分子和电极之间允许电子隧道效应。 
通常，合适的连接部分包括，但不局限于，羧酸、醇、硫醇(包括S-乙酰基硫醇)、硒醇、碲醇、膦酸、硫代膦酸酯、胺、腈、芳基和烷基，包括取代的芳基和烷基，例如碘代芳基和溴甲基。U.S.S.N.，名为Procedure for Preparing Redox-Active Polymers on Surfaces， Bocian，Liu and Lindsay，转让给the Regents of the University ofCalifornia，在此引入作为参考，详尽地列出了合适的连接部分和连接基(两者是独立地并且作为″L-Z″基团)；参见107-113段)。应该注意，连接部分可以产生通过单一基团(例如″单足″连接)或多个基团(″多足″连接)连接的ReAM(或附着于ReAM的连接基)。在一些实施方案中，多足连接，例如三足连接，导致ReAM(包括ReAM聚合物)更固定的定向，后者可以导致更高的密度和更干净的信号。使用硫醇、羧酸、醇或膦酸的多足(包括三足)连接部分是特别有吸引力的。如参考申请中所列的，一些实施方案使用基于三苯基甲烷或四苯基甲烷单元的连接部分，其中2或3个苯基单元被用于连接的合适官能团取代(例如硫醇例如Z-乙酰基硫醇或二羟基磷酰基)。 
连接子 
连接子被用于本发明的各种构型中，包括将连接部分与本发明的ReAMs连接，用于将氧化还原与ReAMs的活性亚单元连接在一起，以及用于ReAMs的聚合中。使用连接子以便在低电压和小元件尺寸下实现快速写和/或清除，在本发明中使用的连接子的尺度可以被优化。最佳的连接子尺寸理论上可以被计算(参见U.S.S.N＞60/473,782，在此清楚地引入作为参考)。或者连接子(以及事实上，同样ReAMs的适用性)可以仅通过将ReAM与在此所述的以及在所引用的文献中表面耦合凭经验进行评价，接着运行伏安法以评价连接的聚合物的电化学性能。 
电极 
本发明的ReAM存储分子与电极电耦合。术语″电极″是指能够输送电荷(例如电子)到存储分子和/或从存储分子中输送电荷的任何介质。优选的电极是金属和导电的有机分子，包括但不限于，第III族元素(包括掺杂的和氧化的第III族元素)、第IV族元素(包括掺杂的和氧化的第IV族元素)、第V族元素(包括掺杂的和氧化的第V族元素)以及过渡金属(包括过渡金属氧化物和过渡金属氮化物)。所述电极可以被制造成虚拟的和2-维或3-维的形状(例如离散线、垫、平面、球体、圆柱体等)。 
术语″固定的电极″是用来反映这样的事实，即所述电极基本上稳定的并且相对于存储介质来说是不可移动的。即，所述电极和存 储介质以互相基本上固定的几何关系排列。当然，应该知道，由于介质随温度变化而伸缩或由于包含电极和/或存储介质的分子构造的变化，该关系会有些改变。然而，整个空间排列基本上保持不变。在一种优选的实施方案中，此术语用来排除那些体系，其中所述电极是可移动的″探针″(例如，写或记录″头″，原子力显微镜(AFM)头、扫描隧道显微镜(STM)头等)。 
术语″工作电极″是指一种或多种电极，其用于设定或读取存储介质和/或存储分子的状态。 
术语″参考电极″是指一种或多种电极，其为从工作电极记录的测量值提供一种参考(例如特定的参考电压)。在优选的实施方案中，在本发明的存储器件中，所述的参考电极是处于相同的电势下的，虽然在一些实施方案中，这不需要是该事实。 
电解质 
在本发明的一些实施方案中，正如下面所更充分地描述的，使用电解质(介电)组分。通常，电解质聚合物被用于保持电化学反应的电解质。各式各样的合适的电解质是已知的，包括陶瓷、金属、凝胶、液体等。Nafion是特别有用的例子，并且可以以薄层使用，约1nm-1000nm，优选约100nm-约500nm，更优选约10nm-约100nm以及最优选约100nm厚。 
存储器件的制造和表征
本发明的存储器件可以使用本领域熟练技术人员公知的标准方法进行制造。在一种优选的实施方案中，根据标准的公知方法将电极层施加到一合适的衬底(例如二氧化硅、玻璃、塑料、陶瓷等)上(例如，参见，Rai-Choudhury(1997)The Handbook of Microlithography，Micromachining，and Microfabrication，SPIE Optical EngineeringPress；Bard & Faulkner(1997)Fundamental of Microfabrication)。各种技术描述如下以及被描述在美国专利号6,212,093；6,728,129；6,451,942；6,777,516；6,381,169；6,208,553；6,657,884；6,272,038；6,484,394和U.S.S.N.s 10/040,059；10/682,868；10/445,977；10/834,630；10/135,220；10/723,315；10/456,321；10/376,865；和U.S.S.N.____，中，名称为Procedure for Preparing Redox-Active Polymers on Surfaces，Bocian，Liu and Lindsay，转让给the Regents of the University of California，所有这些在此通过参考文献清楚地引入作为参考，特别是在此所列的制造技术。 
构造 
如在此所列的，ReAMs装配到存储介质中，通常作为电化学电池的组分。术语″存储介质″是指包含两种或多种存储分子的组合物。所述的存储介质可以仅含有一种存储分子，或者它可以含有两种或多种不同种类的存储分子。在优选的实施方案中，术语″存储介质″是指许多存储分子。优选的存储介质包含由不同的和可区别的(优选非中性)氧化状态构成的多重性(至少为2)。该由不同的和可区别的氧化状态构成的多重性可以通过不同种类的存储分子的组合来获得，每种都对由不同的氧化状态构成的多重性有贡献，以及每种都具有单一的非中性氧化状态。可选择地或此外，所述的存储介质可以包含一种或多种具有非中性氧化状态多重性的存储分子。所述的存储介质可以主要含有一种存储分子，或者它可以含有许多不同种类的存储分子。所述的存储介质还可以包括除存储分子以外的分子(例如为了提供化学稳定性，合适的机械性能，以及为了预防漏电等)。 
术语″电化学电池″典型地是指参考电极、工作电极、氧化还原-活性分子(例如存储介质)，以及，如有必要，一些工具(例如，电介质或导电的电解质)用于在电极之间和/或在电极和介质之间提供电导率。在一些实施方案中，所述的电介质是一种存储介质的组分。 
术语″存储元件″、“记忆单元”或“存储单元”是指可用于存储信息的电化学电池。优选的″存储元件″是存储介质的离散区域，其通过至少一个以及优选两个电极(例如工作电极和参考电极)寻址。存储元件可以单独被寻址(例如一种与每个存储元件关联的独特电极)，或者，特别是其中不同存储元件的氧化状态是可区别的，多个存储元件可以通过单个电极进行寻址。所述的存储元件可以任选地包括电介质(例如浸渍了抗衡离子的电介质)。 
术语″存储位置″是指存储介质位于其中的离散域或区域。当用一个或多个电极寻址时，存储位置可以形成存储单元。然而，如果两个存储位置含有相同的存储介质，使得它们具有基本上相同的氧化状态，并且两个存储位置通常都被寻址，那么它们可以形成一个功能性存储元件。 
″寻址″特定的元件是指用电极将存储元件关联(例如，电耦合)，这样该电极可以用于特定地测定存储元件的氧化状态。 
术语″读″或″讯问″是指测定一个或多个分子(例如包含存储介质的分子)的氧化状态。 
当针对存储分子或存储介质使用时，术语″更新″是指给该存储分子或存储介质施加电压以重新设定存储分子或存储介质的氧化状态至预定状态(例如所述的存储分子或存储介质临近读之前的氧化状态)。 
术语″E1/2″是指由E＝E+(RT/nF)In(Dox/Dred)所定义的氧化还原过程的表观电位(E)的实际定义，其中R是气体常数，T是温度K(开氏温度)，n是该过程中涉及的电子的数目，F是法拉第常数(96,485库仑/摩尔)，Dox是被氧化物质的扩散系数，以及Dred是被还原物质的扩散系数。 
″电压源″是能够将电压施加至目标(例如电极)的任何电源(例如分子、器件、电路等)。 
术语″集成电路的输出″是指由一种或多种集成电路和/或集成电路的一种或多种部件所产生的电压或信号。 
″伏安器件″是能够测定由于施加电压或电压改变而在电化学电池中产生的电流的器件。 
″安培计器件″是能够测定由于施加特定的电势(″电压″)一段时间而在电化学电池中产生的电流的器件。 
″电势计器件″是能够测量跨界面的电位的器件，其由电化学电池中的氧化还原分子的平衡浓度的差别引起。 
″库仑计器件″是能够在向电化学电池施加电势场(″电压″)期间产生净电荷的器件。 
″阻抗光谱仪″是能够测定电化学电池的整个阻抗的器件。 
″正弦伏安计″是能够测定电化学电池的频域性能的伏特计器件。 
有许多种可以从使用分子存储器中获益的器件和系统构造。 
＊＊TT 
图1表示包括分子存储阵列101的存储器件100。分子存储 阵列101包含一个由2N行和2M列构成的阵列。2N行中的每一行与一条字线107关联，而2M列中的每一列与一条位线109关联。在一种典型的应用中，所述的字线107和位线109彼此相交。分子存储器件300位于每一行和列的交叉处(表示在图3中)。分子存储阵列101可以包括以任何方式排列的任何数目的分子存储器件300，其满足特定应用的需要。 
通过将N-位行地址接收到行地址解码器103中以及通过将M-位列地址接收到列地址解码器105中来运行存储器件100。行地址解码器103在一条字线107上产生信号。字线107可以包括字线驱动电路115，其驱动强电流信号到字线107上。因为字线107倾向于为长的、薄的导体，其延伸跨过许多芯片表面，因此它需要显著的电流和大功率开关以驱动字线信号。因此，除了提供其它逻辑电路的运行电力的电源电路(未表示)外，线驱动器电路115经常装备有电源117。因此，字线驱动器115倾向于涉及大的元件，大电流的高速交换倾向于产生噪音，加重对电源供给和电源调节器的限制，以及给分离的结构施加应力。 
在一种常规存储器阵列中，列(位线)比排(字线)更多，因为在更新运行期间，每一字线被激活来更新所有与字线耦合的存储元件。因此，行的数目越少，更新全部行所需的时间就越少。本发明的一个特点是可以设置分子存储元件300以表现出比典型的电容器显著更长的数据保持时间，以数十、数百、数千或有效地、不受限制的秒的数量级。因此，更新周期通常可以以更少频率的数量级进行或省去。因此，可以松弛真正影响存储器阵列101物理布局的更新考虑因素，并且可以实现各种几何形状的阵列。例如，存储器阵列101可以很容易地被制造成具有更多数目的字线，其将使每一字线更短。结果，字线驱动电路115可以被制得更小或被消除，因为需要更少的电流以高速驱动每一字线。可选择地或此外，更短的字线还可以被更快地驱动以改善读/写访问时间。作为还有另一种选择，可以给每一行存储单元装备多条字线以在每一存储单元中提供存储多个信息状态的机制。 
读出放大器111与每一条位线109耦合，并在位线109上运行以检测信号，该位线109指示与该位线耦合的存储元件300的状态，并且将其状态放大到一种合适的逻辑电平信号。在一种实施方案中， 读出放大器111可以用基本上常规的设计来实现，因为这样的常规设计将促使检测和放大来自分子存储元件300的信号。可选择地，不象常规电容器那样，一些分子存储元件提供了指示它们状态的非常不同的信号。这些不同的信号可以减少对常规读出放大器逻辑电路的需要，因为来自分子存储器件的状态信号可以比存储在常规电容器中的信号更容易地并且可靠地锁存到读/写逻辑电路113的缓冲区。即，本发明可以提供器件，其充分地大以至于消除了对读出放大器的需要。 
读/写逻辑电路113包括用于将存储器件100置于读或写状态中的线路。在读状态中，来自分子阵列101的数据被置于位线109上(有或者没有读出放大器111的运行)，接着被缓冲区/闩锁俘获在读/写逻辑电路113中。列地址解码器105将选择让哪一条位线109在特定的读操作中处于活性状态。在写操作中，读/写逻辑电路113将数据信号驱动到所选择的位线109上，这样当字线被激活时，该数据将改写已经存储在寻址存储元件300中的任何数据。 
更新操作基本上类似于读操作，然而，字线107由更新电路(没有表示)驱动而不是由外部所应用的地址驱动。在更新操作中，读出放大器111，如果被使用的话，驱动位线109至指示存储元件300的电流状态的信号电平，并且该数值被自动地写回到存储元件300。不同于读操作，在更新期间，位线109的状态不与读/写逻辑电路113耦合。如果所使用分子的电荷保留时间小于所使用器件的使用寿命，例如，对于闪速存储器来说10年的数量级，那么仅需要此操作。 
图2举例说明了一种示范性的嵌入系统200，其包含中央处理器201和分子存储器203。存储器总线205耦合CPU 201和分子存储器件203以交换地址、数据和控制信号。任选地，嵌入系统200还可以含有与存储器总线205耦合的常规存储器207。常规存储器207可以包括随机存取存储器(例如，DRAM、SRAM、SDRAM等)，或只读存储器(例如，ROM、EPROM、EEPROM等)。这些其他类型的内存可用于高速缓存数据的分子存储器件203、存储操作系统或BIOS文件等。嵌入系统200可包括一种或多种输入/输出(I/O)接口209，该接口能够使得CPU 201与外部设备和系统进行通讯。I/O接口209可以由串行端口、平行端口、无线电频率端口、光学端口、红外端口等实施。此外，接口209可以被构造成使用任何可利用的协议包括基于分组的 协议进行通讯。 
图3说明根据本发明的一种实施方案的存储元件300。存储元件300在电容器(1T1C)存储元件设计上类似于广泛使用的一种晶体管，但是，不同之处在于所使用的分子存储器件301。在特定的实施方案中，所述的分子存储器件是继在半导体基底内形成具有有源器件的半导体基底后，在该基底上作为层叠结构形成而实施的。在其它实施方案中，所述的分子存储器件是作为微米或纳米大小的孔穴在具有有源器件的半导体基底上实施的，其中有源器件是在半导体基底内形成的。所述的分子存储器件是使用与半导体基底相容的加工技术进行制造的，并且在该半导体基底内预先形成了有源器件。所述的分子存储器件包含，例如，具有两个或多个通过电解质(例如，陶瓷或固体电解质或通过直接与金属或半导体结构接触)分开的电极表面的电化学电池。存储分子(例如，具有一种或多种氧化态的分子，其可用于存储信息)与电化学电池中的电极表面耦合。存储分子的实例包括单体卟啉、二茂铁-衍生的卟啉、三聚卟啉、卟啉聚合物或三重叠夹心卟啉，其中的其它化合物。将在下面更详细地描述合适的存储分子的实例。 
当字线被激活时，存取晶体管303被置于导电状态，由于将分子存储器件301与跟它有关的位线耦合。在很多情况下，由分子存储器301产生的信号不足以驱动常规逻辑器件。读出放大器315检测由分子存储器301产生的信号并将此信号放大到合适的逻辑电平(即，与其它系统逻辑相容的信号)。例如，使用卟啉存储分子有可能构建在+0.55V、+0.48V、+0.39V、+0.17V、-0.05V和-0.18V下具有稳定的氧化状态的存储器件301。可以在给定的实施方案中提供更多的或更少的稳定的氧化状态。通过向位线109施加一个合适的电压，所述的存储分子可以被置于所选择的这些氧化状态之一中，并且同时激活合适的字线107。一旦所述的存储器件301处于所需的氧化状态，在特定的应用中，它将保持在该氧化状态达数十、数百、数千或无限秒。 
在读取期间，字线107被激活，并且所述的存储器件301将位线驱动至指示它的氧化状态的电压。这是通过一种非常类似于电容器运行相同的操作的方式进行的。当选通晶体管被打开时，所述的分子存储器件(MSD)与所述的位线连通。例如，所述的分子已经写入一种氧化态中，如果该位线预先被充电至一个数值，该数值比分子的氧化 电位更负(相对于MSD或反电极的顶部金属)，并且此分子处于氧化态，电流将从所述的分子流向所述的位线(以及电子将从所述的位线流向所述的分子)，并且一旦该晶体管被关闭，所述的分子就减少。这将导致在位线上积累电荷，其中电荷的数值由MSD上的分子的数目以及每个分子的氧化状态确定(Q＝nFN，法拉第定律)。该电荷的出现将改变位线上的电压(V＝Q/C)，电压的改变可以通过电压-读出放大器来表征，如本领域中通常使用的。 
在读操作期间，由于寄生效应和读电路的负载，位线电压可以不同于氧化状态电压，然而，安排该电路以便能够清楚地读出稳定的氧化状态。位线电压可以直接通过外部逻辑读出，或可以通过读出放大器315被放大至更常规的逻辑电平。在特定的设备中，所述的读出放大器315可以包括多个基准点(例如多态读出放大器)以便它在位线上产生稳定的多值信号。可选择地，读出放大器315可以包括从模拟到数字的功能，该功能对从特定的存储元件300中读出的多值电压信号作出响应而产生多个逻辑-水平的二进制输出。 
图4举例说明在操作本发明的存储器期间，读操作的示范性时序图。例如，提供图4的时序图以表示类似于常规DRAM操作的设备的操作。其它信号格式和控制协议是已知的，本发明很容易地适应于这些其它格式。如图4所示，行和列地址分两相传递。行地址位于地址总线上，产生行地址选通(RAS)，例如，通过读/写逻辑113产生。当RAS信号在时间t1和t2之间跃迁时，行地址被锁存到行地址解码器103(表示在图1)中并且选择字线107。RAS保持为激活态直到在t7-t8时跃迁为止。对字线的激活作出响应，读出放大器111运行驱动位线至合适的逻辑电平信号。 
在时间t3时，书写起动(WE)闸门跃迁到不活泼状态，其中它保持不活泼状态直到写周期在t10结束为止。WE跃迁防止了分子阵列被写。随后，列地址被呈现在地址总线上。当列地址稳定时，列地址选通(CAS)在时间t4-t5时跃迁以引发列地址解码器105俘获以及解码列地址(表示在图1中)。在时间t5之后，选择一条位线109或一套位线109并且保持该选择直到CAS信号在时间t8-t9时被CAS跃迁除去为止。输出起动(OE)信号发生跃迁而将所选择的位线109与数据I/O端口耦合。在时间t6时，有效数据出现在数据线上。通过RAS 和CAS和WE信号跃迁至不活泼状态，有效数据保留下来。 
在特定的实例中，分子存储器件301被构造成电化学电池，该电池具有通过电解质耦合的参考电极和工作电极。图5表示用于构造分子存储器件的层叠构型，而图6举例说明一种沟或″分子孔″设备。在图5的层叠设备中，整个结构可以建立在顶部上并且与下面的半导体器件的一个电极电耦合。例如，导电通道或插头501可以通过半导体器件的钝化和平面化层廉价地制备，以使与存取晶体管303的电源/漏极区电接触。导电插头501可以与金属连接点耦合，或与半导体器件的激活区耦合。在一种特定的实例中，插头501包含钨，但是可以使用能执行电连通的任何金属、合金、硅化物或其它材料进行制造。 
工作电极503包含，例如，硅、铜、铝、金、银、或其它可用的导体。虽然所述的工作电极可以是金属，但它还可以是金属氧化物、半导体或掺杂的半导体。其他合适的材料包括：Ti、Ta、TiO2、TaO2、SiO2、W、WOX等。工作电极503优选与其它结构，例如集成电路的结合垫和连接线同时形成。形成插头501和电极503的方法和材料在半导体加工行业中是广泛可得到的。在许多集成电路工艺中，金属垫用绝缘层505涂布，绝缘层505用来保护和/或钝化工作电极503。绝缘层505可以以沉积的氧化物、四氮化三硅等形式被实施。层505被图案化以暴露一部分工作电极503，优选在用于暴露集成电路的部分结合垫的相同的操作中。工作电极503的暴露部分限定了分子存储器件301的有效面积。考虑到通过使用工业标准的工艺流程形成并且图案化氧化物505，可以制造本发明。 
存储分子的薄层507是在工作电极503的有效面积上形成的。在具体的实例中，该层的厚度在0.1-100纳米的范围内。希望利用层507作为自我装配单层(SAM)。所述分子的有效面积是通过导电材料上方的图案化层505以光刻方式限定的。衍生的卟啉的广泛库(约250个化合物)可用作存储分子用于与适用于层507中的金属电极连接。这些化合物可以包含5种不同的结构中的任何一种：(1)具有不同类型范围的单体卟啉，(2)二茂铁-衍生的卟啉，(3)翼形三聚卟啉，(4)卟啉聚合物，和(5)三叠层夹心卟啉及其聚合物。发现所有这些卟啉结构都能形成极好质量的自组装单层(SAMs)。一旦分子被连接，使用金属、金属氧化物或导电电解质的薄(例如，50-200纳米)层来形成电解质509。电 解质509是用于氧化还原电池的电解质。通过蒸发、溅射或其它沉积技术金属层511被沉积到电解质层509上。金属层511形成氧化还原电池的参考电极或反电极并包含任何性能良好的电化学反电极材料如铜、银、铂等。在特定的应用中，已经发展的经济因素和半导体加工工艺将决定金属的选择。 
在运行中，存储分子507与工作电极503连接并电耦合。电解质509，其可以是液体、凝胶或固体，其与在器件中使用的存储分子以及其它导体和绝缘体在化学上相容。电解质509能够在工作电极和参考电极之间输送电荷。对于任何给定的氧化状态和选择的存储分子，该电化学电池表现出与众不同的电化学电势，其被称为半波电位(E1/2)或平衡电位。给定的分子存储器件301将具有两种、三种、四种或更多与众不同的E1/2，取决于所选择的具体存储分子。这提供了制造单一基础结构的可能，这种单一的基础结构包括读/写逻辑电路、地址解码器、互连电路等，它们可以通过选择该器件的特定的存储分子在生产的后期进行定做。电子学的一些调整将要求对所选择存储分子的特性进行补偿，然而，制造优点是清楚的。 
图5中所示的叠层结构的一个优点是电容器的底表面形成了电极表面，并且存储分子能在此表面上形成单层。此外，电解质层509涂覆了存储分子，基本上封装它们并在后面的步骤中对它们提供保护。此外，金属决不直接沉积在分子层上，因此避免了损伤以及其它与结构有关的问题，该结构使所述的存储分子在加工期间或之后暴露于金属污染之中。此外，图5的结构提供一种用以实施三维结构的容易的方法，因为金属、绝缘体等的随后层是在制造下面的基于半导体的微电子学设备之后被加入的，同时也避免了短路。 
图6举例说明了存储器件301的实施，其中电化学电池在沟结构中形成，该沟也被称为″分子孔″结构。通过覆盖介质层605(例如，氧化物)和反电极611，沟扩展到基片601中。沟壁暴露，并且提供一种表面接触点，存储分子607可以被装配到该表面接触点。加入存储分子607和电解质609，所述的结构就被聚合物613所覆盖以密封所述的阵列。 
每一条字线107连接一行中存储元件的反电极611，而每一条位线连接一列中存储元件的漏极。接地电压被连接所选行中存储元件的源区域。行地址解码器103(表示在图1中)将激活所有所选行中的存取晶体管303，由此将那一行中的每个存储器件301与它们各自的位线耦合。字线107和位线109是采用低温氧化物沉积和金属化而制造的，这样保存了存储分子607的完整性。优选使用二氧化硅和金属的室温沉积以制备这些结构。现有分子能够经受超过400℃的温度，使得随后的工艺中可使用宽范围的温度。
图6中所示的沟结构避免了金属沉积在分子层上的可能性，由此避免了损伤以及与所提结构有关的其它问题。在沟内形成电极表面，分子在圆柱体的内面上形成SAMs，因此，分子的数目可以通过增加沟的深度来增加。每一金属层的高度决定沟的高度，由此很容易调整两个末端的有效面积。因为使用了垂直尺寸，很多更多的分子(200nm厚电极的简单横杆的尺寸的30倍)可用于写/读。这大大改善了给定横截面的灵敏度。此外，在每一电极的相对尺寸中，图6的设计容易地达到任何改变。每一连接的有效电容通过在每一交叉点的两金属板之间除去大面积的电介质而消失。这可能对整个连线电容产生影响；然而，如果所述的线足够厚，那么导线电阻将不会明显地受影响。 
分子存储器件301的一个优点是，通过在每个位置选择存储分子，分子存储器可以容易地适应于存储多位数据。图7是环状伏安图，其举例说明了双态单体卟啉存储分子的电流-电压特性曲线。峰值和谷值相应于可用于存储信息的不同的氧化状态。在图7的实例中，两个峰相应于两种不同的氧化状态，因此存储器件301能够存储双态的信息。每种氧化状态可以彼此独立地设定或写。周期曲线的较低部分相应于分子存储器件301的写数据，而周期曲线的上部相应于分子存储器件301的读出数据。 
为了将一种状态写入存储器件301中，向位线施加一电压以产生存储分子的所需的氧化状态。典型地，施加于位线的电压比用于MSD中的分子的E1/2稍微更阳性，以弥补写电路中的电阻和电容损失。与写电路有关的损失是可测量的和一致的，因此可以容易地补偿。在一种特定的实施方案中，工作电极503/602被保持在接地电势，参考电极511/611被置于偏电势，该偏电势位于图7中所示的IV曲线中的峰的略微下面。位线109与写信号耦合，该写信号指示具有一定电压的第一逻辑状态，当被加到偏电势时，该电压不足以造成存储分子的氧 化。写信号指示具有一定电压的第二逻辑状态，当被加到偏电势时，该电压足以造成存储分子的氧化。 
在图7的具体实例中，参考电极511/611上的偏电势被设置在500mV，施加于位线的数据信号是0或300mV。500mV信号不足以造成氧化，而800mv信号足以造成第一离散氧化状态的氧化。为了将第二状态写入相同的存储器件301，将参考电极511/611上的偏电势设置在800mV以上。再次，施加于位线的数据信号是0或300mV。800mV信号不足以造成氧化，而1100mV信号足以造成第二离散氧化状态的氧化。因此，第一和第二位可以随后被写入。 
在写操作后，存储分子将趋向于保持在它们的氧化状态。实质上，通过写入过程使加入或除去电子紧紧地与存储分子结合。相反，常规固态电容器使电子松散地被俘获在能量带中，其中它们更可能逃脱。结果，与存储在常规电容器中的电荷相比，存储在存储分子中的电荷更加缓慢地泄漏出去。一旦该存储分子被写至一种给定的氧化状态，可以通过电压-模式的读出放大器或电流-模式的读出放大器读取它们。 
如图7所示，存储分子的一个特征是如果将电压施加于分子存储器件301，那么电流数值将随存储分子的氧化状态而明显改变。图7中所示的CV曲线的峰相应于一种特定的氧化状态。如果所述的存储分子已经被设定在特定的氧化状态，那么将没有电流通过。例如，所述的存储器件301可以通过在参考电极和工作电极之间施加一电压并且将电流与参考电流源相比来读取，该电压比图7所示的CV曲线中的特征峰更阳性。相对大的电流表示第一逻辑状态，而相对小的电流表示第二逻辑状态。以这种方式，写后的存储分子的氧化状态是通过与位线耦合的写信号的状态来进行确定的。虽然示范性的设备以串行方式写每一位，但是考虑所述的分子可以并行写入和/或读取。 
这种读方法部分或全部是破坏性的，因为在读期间施加电势将改变存储器件301中的至少一些存储分子的氧化状态。因此，在读操作后，理想地写回到分子存储器件301中以恢复该存储分子的氧化状态。 
图8说明具有5种可辨别氧化状态的存储分子，在图8中所示的CV曲线中，每种氧化状态由一个峰来表示。分子存储器允许信息密度有很大的扩充，因为存储分子可以被设计成具有几乎任何数目的不同氧化状态。由于每种氧化状态能够存储一比特信息，因此存储器阵列的信息密度显著增加了。通过执行读/写逻辑电路，支撑本发明的分子存储器的读出扩增机制等使得这些性能能够使用在实际的存储器件中。
图9说明具有多种不同氧化状态的存储器件301的CV关系的可供选择的视图。在任何特定的电压下，电流由各种氧化状态确定。因此，读存储器件301可以通过对存储器件301施加特定的电压，测量电流，对测得的电流以及存储在存储器件301中的位的数目的合适逻辑状态之间进行绘图而完成。 
图10表示可用于多状态分子存储器的示范性的电流读出放大器配置，虽然可选择地，电压读出技术同样可以使用。图10中所示的配置执行并流读出。电池电流(I电池)与电流-方式的读出放大器1001耦合。电池电流可以直接来自位线109，或可以被前置放大代替。前置放大器可以被包括在每种电流方式读出放大器1001内，或被单独提供。每个读出放大器1001具有独特的参考电流1003，其指示特定逻辑状态的电流阈值。每个读出放大器1001产生一个二进制信号，其指示电池电流是否超过参考电流。逻辑编码器1005接收该二进制信号，并将它们绘成逻辑信号，其可以包括电平漂移、转化或采用其它的组合逻辑加工以满足特定应用的需要。 
图11举例说明1M比特设备，其将上文所述的分子存储器件的许多特点组合到实际的大容量存储器中。图11中所示的布局遵照工业标准引脚至可实行的程度。然而，当多种状态被存储在每个单元中时，希望提供多个引脚，这样数据可以被并行读出，使得读出消耗更少的时钟周期。图11的特定设备使用四个存储单元阵列库1101，其中每个库实现256K以512行和512列形式排列的存储位置。图11中所示的整个器件具有512行×2048列或1048576个位置(即，1M比特存储器)。任何尺寸的其它排列可以容易地被图11中所示的特定排列所代替。为了易于进行说明，省略了普通芯片输入端口如供电电压和接地。 
八位行地址由外部设备在RA<0:8>输入到行预解码器1103′来提供。行预解码器部分地解码该行地址，将部分解码的输出端提供给每一个行解码器1103。为每个库供应一个行解码器1103，而行预解码器1103′典型地在所有库中共享。行预解码器1103能够使行解码器1103变得更小和通常更快，因为它们处理部分被解码的地址。在图11的特定实施方案中，行解码器1103包括用于每条字线的字线驱动器电路。列地址被提供给CA<0:8>输入端引脚至列地址预解码器1105′。列地址预解码器1105′提供预解码的地址至列解码器1105，后者产生完全解码的地址。 
每个存储器阵列1101包括512条字线1107。选择特定的库，用于通过合适的信号进行读和/或写，该信号被放在一条图4上部所示的一条DBLA线上，其激活通过列解码器1105寻址的位线。给每一读出放大器模块1111提供位线参考电压VBLREF。该位线参考电压可用于电压-方式的读出放大，或用于驱动串行或并行的电流-方式的读出放大。 
每个存储器阵列1101装备有读出放大模块1111，其包括与存储器阵列1101的512条位线耦合的读出放大电路。读出放大模块1111还可以包括写通路门，其能使数据被写到存储器阵列1101上而绕开读出放大器，以及包括充电通路门，其能够使位线预充电信号(如果使用的话)绕过读出放大器。位线预充电是一项有用的技术，用于通过在恰好读的时候，即在高和低逻辑信号之间的中途将它们置于一电势下，来减少位线的响应时间。此技术能够使位线更迅速地应答，因为电压摇摆下降了。 
数据缓冲器1103用来在写操作期间将数据信号驱动到位线上，接着在读操作期间从位线上读取数据信号。用于编码多位数据的逻辑电路1005可以被包括在数据缓冲器模块1103中。写数据被接收在D<>输入端上，而读数据输出端被置于Q<1>-Q<3>输出端。虽然图11的装备是概括性的，但是很显然，本发明能够调适DRAM线路技术和功能性组件来操作分子存储器。这又转而将现存的电路技术平衡至由分子存储器件提供的更高密度。 
多电极分子孔阵列在基于电子器件的分子中非常适用于作为存储元件，并且可以在实施本发明的分子存储阵列和器件中使用。在″分子存储器″元件中，在分子孔中与电极(例如工作电极)耦合的氧化还原-活性分子(具有一种或多种非零氧化还原态的分子)被用来存储位 (例如在某些实施方案中，每种氧化还原状态可以表示一位或几位的组合)。与电极(例如硅或锗)连接的氧化还原-活性分子形成能够在各种氧化状态中存储一个或多个位的存储单元。在某些实施方案中，存储元件的特征在于与″存储介质″电耦合的固定工作电极，所述的″存储介质″包含一种或多种氧化还原-活性分子并且具有由不同的和可区别的氧化状态构成的多重性。经由电耦合的电极，通过从所述的存储介质中加入或取出一个或多个电子，将数据存储在(优选非中性)氧化状态中。使用电化学方法(例如循环伏安法)，例如，如美国专利6,272,038、6,212,093和6,208,553以及PCT公开WO 01/03126中所述的方法，氧化还原-活性分子的氧化状态能够被设定和/或读取，这些内容在此整个引入作为参考。包含多个分子孔(电化学电池)的分子孔阵列可以提供大容量、高密度的存储器件。 
因为N族元素，特别是硅和锗，通常用于电子芯片制造，它们容易地用于与现有工艺/制造技术相适合的分子存储芯片的制造。此外，有关包含氧化还原-活性分子的存储元件的构造和使用的详细情况可以在美国专利6,272,038、6,212,093和6,208,553以及PCT公开WO01/03126中找到。 

Claims (15)

1.分子存储器件，包含
构建在开关器件的一个电极的顶部上并与其电耦合的电化学电池，其中所述的电化学电池包括：
工作电极；
与工作电极连接和电耦合的多个存储分子；
参考电极；和
在工作电极和参考电极之间支持离子电流的电解质，其中所述的多个存储分子包含一种存储介质，所述的存储介质具有多个氧化还原-活性分子和由不同的和可区别的氧化状态构成的多重性。
2.权利要求1的器件，其中所述的存储分子与工作电极共价键合。
3.权利要求1的器件，其中所述的存储分子是单体卟啉、二茂铁-衍生的卟啉、三聚卟啉、卟啉衍生物或卟啉聚合物。
4.权利要求1的器件，其中所述的工作电极包括Al、Au、Ag、Ti、W、Cu、其氧化物或其氮化物。
5.存储元件，包括：
开关器件；
与该开关器件耦合的位线；
与该开关器件耦合的字线；和
构建在开关器件的一个电极的顶部上并与该电极电耦合的电化学电池，其中所述的电化学电池包括：
工作电极；
与该工作电极连接并且电耦合的存储介质，该存储介质包含一个或多个氧化还原-活性分子和由不同的和可区别的氧化状态构成的多重性；
参考电极；和
在所述的工作电极和所述的参考电极之间支持离子电流的电解质。
6.存储元件，包括：
开关器件；
与该开关器件耦合的位线；
与该开关器件耦合的字线；和
构建在该开关器件的一个电极的顶部上并与其电耦合的电化学电池，其中所述的电化学电池包括：
工作电极；
与该工作电极连接和电耦合的多个存储分子；
参考电极；和
在所述的工作电极和所述的参考电极之间支持离子电流的电解质，其中所述的多个存储分子包含一种存储介质，所述的存储介质具有多个氧化还原-活性分子和由不同的和可区别的氧化状态构成的多重性。
7.权利要求6的存储元件，其中所述的存储元件的电荷保留时间大于64毫秒。
8.权利要求6的存储元件，包含与位线耦合的读出放大器。
9.存储阵列，包括：
存储元件的阵列，其中至少一些存储元件包含构建在开关器件的一个电极的顶部上并与其电耦合的电化学电池，其中所述的电化学电池包括：
工作电极；
与该工作电极连接和电耦合的多个存储分子；
参考电极；和
在所述的工作电极和所述的参考电极之间支持离子电流的电解质，其中所述的多个存储分子包含一种存储介质，所述的存储介质具有多个氧化还原-活性分子和由不同的和可区别的氧化状态构成的多重性。
10.权利要求9的存储阵列，其中所述的阵列实现256K以512行和512列形式排列的存储位置。
11.权利要求9的存储阵列，包括：
读出放大器，和
预充电通路门，其能使位线预充电信号绕过读出放大器。
12.一种包括与嵌入的分子存储器件集成的逻辑电路的器件，其中所述分子存储器件，包含：
构建在开关器件的一个电极的顶部上并与其电耦合的电化学电池，其中所述的电化学电池包括：
工作电极；
与工作电极连接和电耦合的多个存储分子，并且所述多个存储分子包含一种存储介质，所述的存储介质具有多个氧化还原-活性分子和由不同的和可区别的氧化状态构成的多重性；
参考电极；和
在工作电极和参考电极之间支持离子电流的电解质。
13.权利要求12的器件，其中所述的开关器件是存取晶体管(303)。
14.一种对分子存储器件进行读取的方法，包括：
经由开关器件将位线与电化学电池耦合，其中所述的电化学电池被构建在开关器件的一个电极的顶部上并与其电耦合，其中所述的电化学电池包括：
工作电极；
与工作电极连接和电耦合的多个存储分子；
参考电极；和
在工作电极和参考电极之间支持离子电流的电解质；和
驱动位线至指示存储分子的氧化状态的电压，其中所述的多个存储分子包含一种存储介质，所述的存储介质具有多个氧化还原-活性分子和由不同的和可区别的氧化状态构成的多重性。
15.一种对分子存储器件进行写入的方法，包括：
经由开关器件将位线与电化学电池耦合，其中所述的电化学电池被构建在开关器件的一个电极的顶部上并与其电耦合，其中所述的电化学电池包括：
工作电极；
与工作电极连接和电耦合的多个存储分子；
参考电极；和
在工作电极和参考电极之间支持离子电流的电解质；和
向位线施加一电压以设定存储分子的氧化状态，其中所述的多个存储分子包含一种存储介质，所述的存储介质具有多个氧化还原-活性分子和由不同的和可区别的氧化状态构成的多重性。
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