DE102016003770A1 - Method for producing a memory, memory, and use of the memory - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Speichers, gekennzeichnet durch die Schritte: a) ein nicht leitendes Substrat wird bereit gestellt; b) eine erste Leiterbahn aus leitendem Material wird auf dem Substrat angeordnet; c) auf die erste Leiterbahn wird punktförmig ein poröses Dielektrikum mit redoxaktiven Molekülen angeordnet; d) orthogonal zur ersten Leiterbahn wird eine zweite Leiterbahn angeordnet, wobei am Kreuzungspunkt die Leiterbahnen eine Elektrodenfunktion aufweisen, zwischen denen das Dielektrikum angeordnet wird; e) auf das Substrat, die erste Leiterbahn, das Dielektrikum und die zweite Leiterbahn wird eine Passivierungsschicht angeordnet, wobei die erste und die zweite Leiterbahn an ihrem Kreuzungspunkt mit dem dazwischen angeordneten Dielektrikum einen Speicher ausbilden, in dem durch Anlegen von Spannung über die Leiterbahnen die Redoxreaktion der redoxaktiven Moleküle an den Elektroden getrieben wird zur Erzeugung eines Bit. Verschiedene Speicher und seine Verwendungen sind offenbart.The invention relates to a process for producing an electrochemical storage, characterized by the steps of: a) providing a non-conductive substrate; b) a first conductor of conductive material is disposed on the substrate; c) a porous dielectric with redox-active molecules is punctiformly arranged on the first conductor track; d) a second interconnect is arranged orthogonally to the first interconnect, wherein at the intersection point the interconnects have an electrode function between which the dielectric is arranged; e) on the substrate, the first interconnect, the dielectric and the second interconnect, a passivation layer is arranged, wherein the first and the second interconnect at its intersection with the interposed dielectric form a memory in which by applying voltage across the interconnects the Redox reaction of the redox-active molecules at the electrodes is driven to produce a bit. Various memories and their uses are disclosed.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Speichers, einen Speicher sowie die Verwendung des Speichers.The invention relates to a method for producing a memory, a memory and the use of the memory.
Stand der TechnikState of the art
Im Stand der Technik sind nicht-volatile Speichertechniken bekannt, die in großem Umfang in informationsverarbeitenden, elektronischen Gerätschaften oder zur Warenkennzeichnung eingesetzt werden.Non-volatile memory techniques are widely known in the art, which are widely used in information processing, electronic equipment, or for product labeling.
Es gibt einen kommerziell sehr weit verbreiteten 1-Bit ROM/WORM Speicher, der in Form einer LC-Schwingkreis-Schaltung etabliert ist. Der Schwingkreis hat eine durch die Bauteileparameter festgelegte Eigenfrequenz. Eine Testwelle kann durch die Energieabsorption des Schwingkreises eine Ja/Nein-Information ermitteln. Solche Tags sind sehr kostengünstig und können durch Anlegen eines starken Magnetfeldes leicht ausgeschaltet bzw. zerstört werden (1 Bit ROM/WORM Speicher).There is a commercially very widespread 1-bit ROM / WORM memory, which is established in the form of an LC resonant circuit. The resonant circuit has a natural frequency determined by the component parameters. A test wave can determine a yes / no information by the energy absorption of the resonant circuit. Such tags are very inexpensive and can be easily eliminated or destroyed by applying a strong magnetic field (1 bit ROM / WORM memory).
Die Speichertechniken für komplexere informationsverarbeitende, elektronische Gerätschaften beruhen hingegen in sehr hohem Maße auf der Benutzung von Silizium-Technologie (CMOS), um diese Speicher herzustellen. Aktuell in Benutzung befindliche nicht-flüchtige Speicher benutzen festkörperphysikalische Eigenschaften, um eine Information speichern zu können und auch über lange Zeiträume (> 10 Jahre) ohne externe Energieversorgung vorhalten zu können.However, the storage techniques for more complex information processing electronic equipment rely heavily on the use of silicon (CMOS) technology to produce these memories. Non-volatile memories currently in use use solid-state physical properties in order to be able to store information and to be able to store it for long periods (> 10 years) without external power supply.
EPROMs/EEPROMs/Flash-EPROMs:EPROM / EEPROM / Flash EPROM:
Ein Klasse von Speicherbausteinen, die auf Silizium-Halbleitertechnologie beruht. Das Grundelement von EPROMs/EEPROMs und Flash-EPROMs ist ein MOSFET (Feldeffekt-Transistor) mit einer allseitig isolierten Gateelektrode. Die Isolation wird durch eine Schicht SiO2 realisiert. Eine auf die Gatelektrode aufgebrachte Ladung wird über das isolierende, als Dielektrikum wirkende SiO2 dauerhaft gehalten und sperrt gegebenenfalls den Transistor.A class of memory devices based on silicon semiconductor technology. The basic element of EPROMs / EEPROMs and Flash EPROMs is a MOSFET (field effect transistor) with a gate electrode insulated on all sides. The insulation is realized by a layer of SiO 2 . A charge applied to the gate electrode is permanently held via the insulating SiO 2 acting as a dielectric and optionally blocks the transistor.
EPROM: Dieser Speichertyp ist elektrisch beschreibbar und auslesbar. Bevor eine elektrische Wiederbeschreibung erfolgen kann, muss eine Bestrahlung des Speicherchips mit UV erfolgen. Dieser Grundtyp wird über die FAMOS (floating gate avalanche injection MOS) Zelle realisiert, wobei ein p-Kanal MOSFET eingesetzt wird, oder über einen n-Kanal-MOSFET, der neben einem Floating Gate ein Steuergate besitzt. Die Beschreibung erfolgt über hot carrier injection (HCl), was ausnutzt, dass Elektronen mit genügend kinetischer Energie eine Potentialbarriere durchbrechen können und auf dem Gate gespeichert werden.EPROM: This memory type is electrically writable and readable. Before an electrical re-description can take place, an irradiation of the memory chip with UV must take place. This basic type is realized by the FAMOS (floating gate avalanche injection MOS) cell using a p-channel MOSFET or an n-channel MOSFET having a control gate next to a floating gate. The description is made by hot carrier injection (HCl), which exploits that electrons with sufficient kinetic energy can break a potential barrier and are stored on the gate.
Die Speicherzelle muss für eine Wiederbeschreibung mit UV bestrahlt werden. Photonen mit ausreichender kinetischer Energie, abhängig vom Gatematerial, regen die Elektronen des Floating Gates an, so dass diese das Gate verlassen können. Die Löschdauer beträgt in der Größenordnung von 10 Minuten und erfordert das mechanische Verschieben eines Blendschutzes der Speicherzelle mit Quarzglas-Fenster, der im Normalbetrieb/Lesemodus abgedeckt sein muss.The memory cell must be UV-irradiated for a re-description. Photons with sufficient kinetic energy, depending on the gate material, excite the electrons of the floating gate so that they can leave the gate. The erasure time is of the order of 10 minutes and requires the mechanical shifting of a glare protection of the memory cell with quartz glass window, which must be covered in the normal operation / read mode.
Die Schreibenergie beträgt ~1 μJ/Bit. Die Schreibzeit beträgt ~3–50 ms, + 10 Minuten bei Wiederbeschreibung. Die Betriebsspannung liegt bei 3–6 V und die Schreibspannung bei ~12 V.The write power is ~ 1 μJ / bit. The writing time is ~ 3-50 ms, + 10 minutes for re-description. The operating voltage is 3-6 V and the writing voltage is ~ 12 V.
EEPROM (auch E2PROM):EEPROM (also E 2 PROM):
Der Electrically Erasable PROM (EEPROM) ist eine Speicherzelle, die sowohl elektrisch gelesen als auch elektrisch geschrieben werden kann. Die auf das Gate aufgebrachte Ladung wird über den quantenphysikalischen Tunneleffekt erreicht. Der Schreib/Lösch-Modus verläuft daher über Feldemission (Fowler-Nordheim Tunneling) unter Anlegung eines hohen elektrischen Feldes und erfolgt bit-weise.The Electrically Erasable PROM (EEPROM) is a memory cell that can be both electrically read and electrically written. The charge applied to the gate is achieved by the quantum physical tunnel effect. The write / erase mode therefore runs through field emission (Fowler-Nordheim Tunneling) under application of a high electric field and is done bit by bit.
Typische Speicherkapazitäten liegen bei 1–4 Mbit. Die Schreibenergie beträgt ~1 μJ/Bit. Die Schreibzeit beträgt ~1–10 ms und die Betriebsspannung: 3–6 V. Marktführer für RFID EEPROM ist Atmel, USA. Der Vertrieb läuft z. B. über das Handelsprodukt ATA5575M1 16 Byte EEPROM Microcontroller.Typical storage capacities are 1-4 Mbit. The write power is ~ 1 μJ / bit. The write time is ~ 1-10 ms and the operating voltage: 3-6 V. Market leader for RFID EEPROM is Atmel, USA. The distribution runs z. B. on the commercial product ATA5575M1 16 byte EEPROM microcontroller.
Flash-EPROM (auch ”Flash-Speicher”): Flash EPROM (also called "flash memory"):
Der Aufbau dieser Speicherzelle basiert auf der EPROM Technologie. Bei diesem Speicher-Typ wird die Ladung über das hot carrier injection Verfahren auf das Gate aufgebracht und der Schreib/Löschvorgang über Fowler-Nordheim-Tunneling erreicht (wie bei EEPROM). Große Mengen von Speicherzellen werden als Matrix angeordnet und sind in zwei Architekturformen NAND-Flash und NOR-Flash weit kommerzialisiert. Durch die Matrixarchitektur und Nutzung gemeinsamer Zweige für Source/Drain ist eine vollständige Schaltung einzelner Bits nicht möglich. Insbesondere das Löschen eines Zustandes kann nur Blockweise erfolgen.The structure of this memory cell is based on the EPROM technology. In this type of memory, the charge is applied to the gate via the hot carrier injection process and the write / erase process is accomplished via Fowler-Nordheim tunneling (as in EEPROM). Large amounts of memory cells are arranged as a matrix and are widely commercialized in two forms of NAND flash and NOR flash architecture. Due to the matrix architecture and the use of common branches for source / drain, complete switching of individual bits is not possible. In particular, the deletion of a state can only be done in blocks.
Die typischen Speicherkapazitäten liegen bei 1 MBit–128 GBit. Die Schreibenergie liegt bei ~1 μJ/Bit, die Schreibzeit beträgt ~0,1–1 ms. Die Betriebsspannung liegt bei 3–6 V, 12 V.The typical storage capacities are 1 MBit-128 GBit. The write power is ~ 1 μJ / bit, the write time is ~ 0.1-1 ms. The operating voltage is 3-6 V, 12 V.
MLC NAND (Multi-Level-Cell Flash) Speicher:MLC NAND (Multi Level Cell Flash) Memory:
Dieser Speichertyp ist an die Flash-Speicher angelehnt, welche nur 1 Bit pro Zelle speichern können, und kann mehrere Bit pro Zelle speichern. Die höhere Speicherdichte wird erreicht indem man mehrere Ladungszustände pro Transistor unterscheidet. Die MLC-Speicher erreichen heutzutage bis zu 4-bit, wobei 16 Ladungszustände unterschieden werden. Typische Strukturgrößen für einen Transistor mit diesem Speichertyp liegen bei 10–20 nm. Marktführer in diesem Segment sind SanDisk und Samsung.This type of memory is based on the flash memory, which can store only 1 bit per cell, and can store several bits per cell. The higher storage density is achieved by differentiating several charge states per transistor. The MLC memories today reach up to 4-bit, with 16 charge states being distinguished. Typical feature sizes for a transistor with this type of memory are 10-20 nm. Market leaders in this segment are SanDisk and Samsung.
Ferroelectric RAM (FRAM oder FeRAM):Ferroelectric RAM (FRAM or FeRAM):
FRAM basiert ebenfalls auf Silizium Halbleitertechnologie. Auf dem Gate eines Feldeffekt-Transistors wird ein ferroelektrischer Kristall aufgebracht, der durch Anlegen eines Feldes polarisiert werden kann und den Transistor schaltet. Die Schreibenergie beträgt ~0,1 μJ/Bit. Die Schreibzeit liegt bei ~1–10 μs. Die Betriebsspannung liegt bei 1–3 V. Marktführer für RFID FRAM ist Fujitsu, Japan.FRAM is also based on silicon semiconductor technology. On the gate of a field-effect transistor, a ferroelectric crystal is applied, which can be polarized by applying a field and switches the transistor. The writing power is ~ 0.1 μJ / bit. The write time is ~ 1-10 μs. The operating voltage is 1-3 V. Market leader for RFID FRAM is Fujitsu, Japan.
Für drahtlos auslesbare Speicher, die als RW RFID/NFC Tag etabliert sind und mehr als > 1 Bit Speicher aufweisen, werden insbesondere EEPROM und FRAM Speicher benutzt (Marktführer NXP).For wireless readable memories, which are established as RW RFID / NFC tag and have more than> 1 bit memory, especially EEPROM and FRAM memory are used (market leader NXP).
Für gedruckte RFID/NFC Tags gibt es bisher wenige kommerzielle Produkte. Der bekannteste Ansatz ist der von der Firma Thin Film Electronics ASA. Dort wird ein gedruckter, nicht-volatiler Speicher auf Basis von ferroelektrischen Polymeren genutzt. In diesen Speicherzellen wird das ferroelektrische Polymer zwischen zwei Elektroden in eine passive Matrix eingelegt. So wird auf jedem Kreuzungspunkt der leitenden metallischen Kontaktlinien ein ferroelektrischer Kondensator geformt, der eine Speicherzelle definiert.There are few commercial products for printed RFID / NFC tags. The best known approach is that of Thin Film Electronics ASA. There, a printed, non-volatile memory based on ferroelectric polymers is used. In these memory cells, the ferroelectric polymer is inserted between two electrodes in a passive matrix. Thus, a ferroelectric capacitor defining a memory cell is formed at each intersection of the conductive metallic contact lines.
Es sind elektrochemische Speicher bekannt. So z. B. ein elektrochemischer Metallisierungsspeicher (electrochemical metallization memory, ECM) oder generell Memristor-Vorrichtungen. Diese basieren meistens auf einem elektrochemischen Verfahren wie aus Valov et al. bekannt ist (
Das Wirkungsprinzip des ECMs ist das eines elektrochemischen Memristors. Ein Memristor ist ein passives elektronisches Bauelement, dessen elektrischer Widerstand nicht konstant ist, sondern von seiner Vergangenheit abhängt. Der aktuelle Widerstand dieses Bauelements ist davon abhängig, wie viele Ladungen in der Vergangenheit in welche Richtung geflossen sind. Damit ist der Widerstandswert über den zeitlichen Verlauf des Stroms einstellbar. Dieser Widerstand bleibt auch ohne Energiezufuhr dauerhaft erhalten. Zwischen den Elektroden einer Speicherzelle befindet sich ein Elektrolyt aus Metallsalzen oder Metalloxiden, manchmal flüssig aber meistens fest. Wenn zwischen den Elektroden ein reduzierendes Potential angelegt wird, reduzieren sich Metall-Kationen in elementares Metall und formen Fasern, sogenannte Filamente, von der Arbeitselektrode zu der Gegenelektrode, die eine leitende Verbindung zwischen den Elektroden herstellen. Bei Anlegung des umgekehrten oxidierenden Potentials, oxidieren die Metalle und lösen diese Fasern wieder auf. Wenn beide Elektroden durch eine leitende Faser überbrückt sind kann der Strom mit geringem Widerstand fließen und die Speicherzelle weist den Zustand ”1” auf. Wenn die Elektrode in der Zelle nicht durch Fasern verbunden sind, ist der Widerstand groß und die Speicherzelle steht auf ”0”.The principle of operation of the ECM is that of an electrochemical memristor. A memristor is a passive electronic device whose electrical resistance is not constant but depends on its past. The current resistance of this device depends on how many charges have flowed in which direction in the past. Thus, the resistance value over the time course of the current is adjustable. This resistance is permanently maintained even without energy. Between the electrodes of a memory cell is an electrolyte of metal salts or metal oxides, sometimes liquid but mostly solid. When a reducing potential is applied between the electrodes, metal cations reduce to elemental metal and form fibers, called filaments, from the working electrode to the counter electrode, which establish a conductive connection between the electrodes. Upon application of the reverse oxidizing potential, the metals oxidize and redissolve these fibers. If both electrodes are bridged by a conductive fiber, the current can flow with little resistance and the memory cell has the state "1". If the electrode in the cell is not connected by fibers, the resistance is large and the memory cell is at "0".
Der Stand der Technik weist die folgenden Nachteile auf:
Der Nachteil von LC Schwingkreisen ist die Begrenzung der Speicherkapazität auf 1 Bit.The prior art has the following disadvantages:
The disadvantage of LC resonant circuits is the limitation of the storage capacity to 1 bit.
EEPROM und FRAM sind beide auf Grund der benötigten Siliziumhalbleitertechnologie teuer in der Herstellung (z. B. ~0,5–1,0 € pro RFID-Tag). Außerdem ist die zum Schalten benötigte Energie gerade beim EEPROM sehr hoch. Da bei der Nutzung als RFID nur ca. 1/1000 der zum Auslesen eingesetzten Energie von der Tag-Antenne aufgenommen werden kann, ist die Reichweite und Leitungsfähigkeit durch den Energiebedarf der Speicherzelle begrenzt. EEPROM and FRAM are both expensive to manufacture due to the silicon semiconductor technology required (eg, ~ 0.5-1.0 € per RFID tag). In addition, the energy required for switching is very high, especially with the EEPROM. Since when used as RFID only about 1/1000 of the energy used for reading can be recorded by the tag antenna, the range and conductivity is limited by the energy requirements of the memory cell.
FRAM hingegen ist zwar energiesparender, aber auf Grund der komplexeren Herstellung und der benötigten ferroelektrischen Kristallstruktur noch deutlich teurer als EEPROM. Diese Verfahren sind wirtschaftlich wenn überhaupt nur dann rentabel, wenn eine sehr hohe Integrationsdichte und hohe absolute Speichermengen hergestellt werden können. Speichermengen im Bereich von einigen Bit bis in den Megabit-Bereich sind ökonomisch aber mit dieser Technologie nicht realisierbar, da die Grundkosten bei dieser Technologie bereits sehr hoch sind.By contrast, FRAM is more energy-efficient, but due to the more complex production and the required ferroelectric crystal structure, it is still considerably more expensive than EEPROM. These methods are economically viable, if at all, only if a very high integration density and high absolute storage quantities can be produced. Storage volumes in the range of a few bits up to the megabit range are not economically feasible with this technology, since the basic costs are already very high with this technology.
Elektrochemische Metallisierungsspeicher werden durch photolithographische Verfahren zur Mikro- und Nanostrukturierung hergestellt. Diese Verfahren sind ebenfalls per se aufwändig und damit teuer.Electrochemical metallization memories are produced by photolithographic micro- and nanostructuring methods. These methods are also per se consuming and therefore expensive.
Nachteilig sind die bisher veröffentlichten Verfahren zur Herstellung nicht volatiler Speicher aufwändig und damit Zeit- und/oder kostenintensiv.Disadvantages are the previously published methods for producing non-volatile memory consuming and thus time and / or costly.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es einen neuartigen Speicher bereit zu stellen, der die Nachteile aus dem Stand der Technik nicht aufweist. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Speichers bereit zu stellen und Verwendungen hierzu aufzuzeigen.The object of the invention is to provide a novel memory which does not have the disadvantages of the prior art. Furthermore, it is an object of the invention to provide a method for producing the memory and to indicate uses therefor.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Die Aufgabe wird gelöst mit dem Verfahren nach dem Patentanspruch 1 und dem Speicher und der Verwendung des Speichers gemäß des Nebenanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu ergeben sich jeweils aus den hierauf rückbezogenen Patentansprüchen.The object is achieved with the method according to
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Speichers ist gekennzeichnet durch die Schritte:
- a) ein nicht leitendes Substrat wird bereit gestellt;
- b) eine erste Leiterbahn aus leitendem Material wird auf dem Substrat angeordnet;
- c) auf die erste Leiterbahn wird punktförmig ein poröses Dielektrikum mit einer bestimmten Konzentration der redoxaktiven Molekülen angeordnet, wobei in manchen Fällen die Konzentration der redoxaktiven Molekülen Null aufweisen soll;
- d) orthogonal oder mit einem
Winkel von 5–90 Grad zur ersten Leiterbahn wird eine zweite Leiterbahn angeordnet, wobei am Kreuzungspunkt die Leiterbahnen eine Elektrodenfunktion aufweisen, zwischen denen das Dielektrikum angeordnet wird; dies erlaubt die spannungsgetriebene Redoxreaktion der redoxaktiven Moleküle an den Elektroden. - e) auf das Substrat, die erste Leiterbahn, das Dielektrikum und die zweite Leiterbahn wird eine Passivierungsschicht angeordnet.
- a) a non-conductive substrate is provided;
- b) a first conductor of conductive material is disposed on the substrate;
- c) a porous dielectric with a specific concentration of the redox-active molecules is punctiformly arranged on the first conductor track, in which case the concentration of the redox-active molecules should in some cases be zero;
- d) orthogonal or at an angle of 5-90 degrees to the first trace a second trace is arranged, wherein at the crossing point the traces have an electrode function between which the dielectric is arranged; this allows the voltage-driven redox reaction of the redox-active molecules at the electrodes.
- e) a passivation layer is arranged on the substrate, the first interconnect, the dielectric and the second interconnect.
Es können zusätzliche Passivierungsschichten zur Passivierung der Leiterbahnen angeordnet werden. Mit Ausnahme des Dielektrikums kann z. B. auch die Struktur im Anschluss von Schritt c) optional passiviert werden durch Anordnung einer Passivierungsschicht.Additional passivation layers for passivation of the printed conductors can be arranged. With the exception of the dielectric z. B. the structure in the connection of step c) are optionally passivated by arranging a passivation layer.
Anders als für redoxaktive Sensoren gibt es also mit Ausnahme der Kontaktstellen am Ende der Leiterbahnen keine Zugänge an den Elektroden, sondern es handelt sich um ein vollständig abgeschlossenes System ohne Leckströme und/oder Verdampfung der redoxaktiven Moleküle.Unlike redox-active sensors, there are no accesses to the electrodes with the exception of the contact points at the end of the tracks, but it is a completely closed system without leakage currents and / or evaporation of the redox-active molecules.
Erfindungsgemäß bilden die erste und die zweite Leiterbahn an ihrem Kreuzungspunkt mit dem dazwischen angeordneten Dielektrikum einen nicht volatilen 1 Bit Speicher aus, in dem durch Anlegen von Spannung über die Leiterbahnen die Redoxreaktion der redoxaktiven Moleküle an den Elektroden getrieben wird.According to the invention, the first and the second conductor track form a non-volatile 1-bit memory at their point of intersection with the dielectric arranged therebetween, in which the redox reaction of the redox-active molecules at the electrodes is driven by applying voltage across the conductor tracks.
Als elektrisch nicht leitendes Substrat kann Glas, Siliziumoxid bzw. Polymere, und so weiter verwendet werden. As the electrically non-conductive substrate, glass, silica, or polymers, etc. can be used.
Als Material für die erste Leiterbahn bzw. Elektrode kann z. B. Gold, Platin, Kohlenstoff, leitfähige Polymere und so weiter verwendet werden.As a material for the first conductor or electrode z. Gold, platinum, carbon, conductive polymers and so on.
Es kann eine Vielzahl an Leiterbahnen vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet werden. Dann wird vorteilhaft eine „crossbar”-Struktur bereitgestellt.It can be arranged a plurality of interconnects preferably orthogonal to each other. Then advantageously a "crossbar" structure is provided.
Die erste(n) Leiterbahn(en) werden vorzugsweise mittels Tintenstrahldruckverfahren oder anderem Druckverfahren in einer fertigen Strukturierung aufgetragen. Dies reduziert vorzugsweise die Kosten bei der Herstellung der Speicher.The first conductive trace (s) are preferably applied by ink jet printing or other printing in a finished pattern. This preferably reduces the cost of manufacturing the memory.
Ein Druckverfahren, vor allem Digitaldruckverfahren wie Tintenstrahldruck oder Aerosol-Jet Druck, ist vorteilhaft schnell, preiswert, sowie sehr gut reproduzierbar. Außerdem ermöglicht das digitale Verfahren eine Anordnung unterschiedlicher Tinten, bzw. Tinten mit unterschiedlichen Konzentrationen der Redoxmoleküle, punktförmig auf den Kreuzpunkten, was für den Speicher besonders vorteilhaft ist.A printing process, especially digital printing methods such as ink jet printing or aerosol jet printing, is advantageous fast, inexpensive, and very easy to reproduce. In addition, the digital method allows an arrangement of different inks, or inks with different concentrations of the redox molecules, punctiform on the cross points, which is particularly advantageous for the memory.
Das Verfahren zur Herstellung des Redox-Cycling-Speichers umfasst somit insbesondere aber nicht ausschließlich eine Wahl leitfähiger und/oder isolierender, insbesondere druckbarer Partikel, mit denen die Leiterbahnen bzw. Elektroden und/oder das Dielektrikum strukturiert übereinander angeordnet werden können. Insbesondere aber nicht ausschließlich wird Tintenstrahldruck, Aerosol Jet-Verfahren, Siebdruck, Gravurdruck, Offset-Druck, Mikrokontaktdruck, Nanoimprintdruck oder Heißprägen angewendet. Es können Kombinationen aus Beschichtungs- und Abtragungsschritten, die gleiche Schichten aufbringen in Kombination mit verschiedenen Beschichtungsverfahren wie z. B. Slot-die, Laserabtragung und so weiter durchgeführt werden. Insbesondere wird ausschließlich Tintenstrahldruck verwendet, da es ein besonders preiswertes Verfahren ist.The method for producing the redox cycling memory thus comprises in particular, but not exclusively, a choice of conductive and / or insulating, in particular printable, particles with which the printed conductors or electrodes and / or the dielectric can be arranged in a structured manner one above the other. In particular, but not exclusively, ink jet, aerosol jet, screen, gravure, offset, microcontact, nanoimprint or hot stamp are used. Combinations of coating and ablation steps which apply the same layers in combination with various coating methods such as e.g. As slot-die, laser ablation and so on. In particular, only inkjet printing is used, as it is a particularly inexpensive method.
Die erste Leiterbahn weist entweder keine oder nur sehr kleine Poren im Vergleich zum darüber anzuordnenden Dielektrikum auf. Die Leiterbahn muss entsprechend leitend, chemisch inert sein und geringer Ladungstransferwiderstand und damit gute elektrochemische Eigenschaften aufweisen. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass störungsfreie zyklische Voltammograme mit Standard-Redox-Molekülen gemessen werden können.The first trace has either no or very small pores compared to the dielectric to be placed above it. The conductor must be correspondingly conductive, chemically inert and have low charge transfer resistance and thus good electrochemical properties. This advantageously has the effect that trouble-free cyclic voltammograms can be measured with standard redox molecules.
Im Falle des Tintenstrahldrucks sollte die Tinte nach dem Druck auf das Substrat vorzugsweise gesintert werden. Hierzu können thermische, photonische, UV oder andere Sinterverfahren durchgeführt werden, damit sich eine homogene leitende Schicht für die erste Leiterbahn bildet.In the case of inkjet printing, the ink should preferably be sintered after printing on the substrate. For this purpose, thermal, photonic, UV or other sintering methods can be carried out so that a homogeneous conductive layer is formed for the first printed conductor.
Im Anschluss wird eine dielektrische Tinte auf den zukünftigen Kreuzungspunkt gedruckt. Als Tinte verwendet man vorzugsweise ein Sol-Gel oder Hydrogel und optional enthält die Tinte auch bereits Redox-Moleküle als aktives Material und bildet später das nanoporöse Dielektrikum.Subsequently, a dielectric ink is printed on the future crossing point. The ink used is preferably a sol-gel or hydrogel, and optionally the ink already contains redox molecules as the active material and later forms the nanoporous dielectric.
Die Tinte kann zusätzlich andere Additive wie Weichpolymere für erhöhte Elastizität sowie Stoffe, die die Druckeigenschaften der Tinten verbessern, beinhalten.The ink may additionally include other additives such as soft polymers for increased elasticity, as well as fabrics which improve the printing properties of the inks.
Die Tinte soll, bevor die nächste leitende obere Leiterbahn bzw. Elektrode gedruckt wird, aushärten aber nicht austrocknen. Im Falle von Sol-Gel-basierter Tinte bedeutet dies, dass die Kondensationsreaktion des Sol-Gels stattfinden soll. Die durch die Sol-Gel-Reaktion geformten Poren sind in einer Ausgestaltung der Erfindung kleiner, als die Partikel für die leitende Tinte der oberen Leiterbahn bzw. Elektrode.The ink should cure before the next conductive top trace or electrode is printed but not dry out. In the case of sol-gel based ink, this means that the condensation reaction of the sol gel should take place. The pores formed by the sol-gel reaction are smaller in one embodiment of the invention than the particles for the conductive ink of the upper trace or electrode.
Hieran anschließend wird die zweite Leiterbahn vorzugsweise aus einer leitenden Tinte orthogonal zu der unteren Leiterbahn gedruckt, sodass am Kreuzungspunkt der oberen Leiterbahn und der unteren Leiterbahn die Leiterbahnen Elektrodenfunktion wahrnehmen können. Vorzugsweise werden in „crossbar”-Strukturen eine Vielzahl an zweiten Leiterbahnen orthogonal zu den ersten Leiterbahnen angeordnet.Following this, the second trace is preferably printed from a conductive ink orthogonal to the lower trace, so that at the intersection of the upper trace and the lower trace the traces can perform electrode function. In crossbar structures, a multiplicity of second conductor tracks are preferably arranged orthogonally to the first conductor tracks.
An den jeweiligen Kreuzungspunkten der unteren, ersten Leiterbahnen zu den oberen, zweiten Leiterbahnen ist in ”Sandwich”-Struktur die nanoporöse dielektrische Schicht jeweils eingeschlossen, die damit die Speicher-Matrix formt.At the respective crossing points of the lower, first interconnects to the upper, second interconnects, the nanoporous dielectric layer is embedded in a "sandwich" structure, which thus forms the memory matrix.
Im Falle eines Tintenstrahldrucks soll die Tinte für die zweite(n) Leiterbahn(en) Nanopartikel vorzugsweise aus Gold, Platin, Kohlenstoff, leitfähige Polymere und so weiter umfassen. Die Nanopartikelgröße für die Tinte der zweiten Leiterbahn soll dann nicht kleiner sein, als die Poren in der darunterliegenden dielektrischen Schicht, damit die Nanopartikel zum Aufbau der zweiten Leiterbahn nicht in die Zwischenschicht, das Dielektrikum eindringen und einen Kurzschluss zwischen den Elektroden verursachen können. Auch diese Tinte sollte vorzugsweise gesintert werden, z. B. thermisch, photonisch, durch UV oder ein anderes Verfahren, damit sich eine leitende Bahn formt.In the case of ink-jet printing, the ink for the second conductive trace (s) is preferably comprised of nanoparticles of gold, platinum, carbon, conductive polymers, and so forth. The nanoparticle size for The ink of the second trace should then be no smaller than the pores in the underlying dielectric layer, so that the nanoparticles for building the second trace can not penetrate into the intermediate layer, the dielectric and cause a short circuit between the electrodes. Also, this ink should preferably be sintered, for. Thermally, photonically, by UV or other method to form a conductive web.
Optional wird durch die Erfindung die hohe Auflösung des Druckverfahrens in der Z-Achse genutzt um elektrochemische Nanostrukturen zu erzeugen.Optionally, the invention uses the high resolution of the Z-axis printing process to produce electrochemical nanostructures.
Vorzugsweise wird dabei das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer bzw. gedruckten Redox-Cycling-Zelle auf eine ”cross-bar”-Architektur übertragen und zu dieser erweitert, so dass nicht nur 1 × 1 Leiterbahn und Zelle, sondern z. B. auch 2 × 2 oder z. B. 4 × 4, Leiterbahnen und eine entsprechende Anzahl an Redox-Cycling Zellen nebeneinander angeordnet werden.Preferably, the inventive method for producing a printed or redox cycling cell is transferred to a cross-bar architecture and extended to this, so that not only 1 × 1 conductor and cell, but z. B. 2 × 2 or z. B. 4 × 4, tracks and a corresponding number of redox cycling cells are arranged side by side.
In diesen Konfigurationen dienen an den Kreuzungspunkten die Oberflächenbereiche der ersten Leiterbahnen als untere Elektroden für mehrere Redox-Cycling-Zellen gleichzeitig. Ferner dienen an den Kreuzungspunkten die Oberflächenbereiche der zweiten Leiterbahnen als obere Elektroden für das notwendige Redox-Cycling-Verfahren.In these configurations, at the crossing points, the surface areas of the first conductive lines serve as lower electrodes for a plurality of redox cycling cells simultaneously. Furthermore, at the crossing points, the surface regions of the second interconnects serve as upper electrodes for the necessary redox cycling process.
Der Aufbau einzelner Redox-Cycling-Zellen bzw. Speicherzellen mittels Druckverfahren z. B. mittels eines Tintenstrahldruckverfahrens kann somit mindestens die nachfolgenden Schritte aufweisen:
- a) Auf dem Substrat wird eine erste, elektrisch leitfähige Elektrode angeordnet,
- b) Auf die erste Elektrode wird eine poröse dielektrische Schicht angeordnet, bei der die Poren bis auf die Oberfläche der ersten Elektrode führen,
- c) Auf die dielektrische Schicht wird eine zweite, elektrisch leitfähige Elektrode angeordnet, wobei mindestens einer der Schritte a) bis c) mit einem Druckverfahren von elektrisch leitfähigen und/oder elektrisch isolierenden Partikeln durchgeführt wird,
- d) Passivierung der Schicht-Struktur.
- a) a first, electrically conductive electrode is arranged on the substrate,
- b) a porous dielectric layer is arranged on the first electrode, in which the pores lead to the surface of the first electrode,
- c) a second, electrically conductive electrode is arranged on the dielectric layer, wherein at least one of the steps a) to c) is carried out with a printing method of electrically conductive and / or electrically insulating particles,
- d) Passivation of the layer structure.
Es versteht sich, dass die Elektroden kontaktierbar ausgestaltet sind, indem sie über die freien Enden der auf diese Weise kontaktbierbaren Leiterbahnen kontaktiert werden.It is understood that the electrodes are made contactable by being contacted over the free ends of the conductor paths which can be contacted in this way.
Somit wird an einem Kreuzungspunkt zumindest auf die erste Elektrode punktförmig eine poröse dielektrische Schicht angeordnet, bei der die Poren des Dielektrikums bis auf die Oberfläche der ersten Elektrode führen. Die Poren in der dielektrischen Schicht sind mit redoxaktiven Molekülen gefüllt. Vorzugsweise sind die redoxaktiven Moleküle bereits in der Tinte enthalten.Thus, at a point of intersection, at least at the first electrode, a porous dielectric layer is arranged at a point of intersection, in which the pores of the dielectric extend to the surface of the first electrode. The pores in the dielectric layer are filled with redox-active molecules. Preferably, the redox-active molecules are already contained in the ink.
Der nanoskalierte Redox-Cycling Speicher ist vorzugsweise nur mittels Drucktechnologien und ohne zusätzlichen Ätzschritte oder Opferschichten hergestellt. In diesem Design werden die in der Z-Achse übereinander angeordneten Elektroden, die durch ein nanoskaliertes Dielektrikum getrennt werden, vorzugsweise vollständig gedruckt.The nanoscale redox cycling memory is preferably made only by printing technologies and without additional etching steps or sacrificial layers. In this design, the Z-axis electrodes, which are separated by a nano-scaled dielectric, are preferably completely printed.
Es gibt bei diesem Verfahren vorteilhaft keine Ätzschritte. Dies wird dadurch erreicht, dass die drei Schichten, 1. erste untere Leiterbahn 2. nanoporöse dielektrische Schicht und 3. zweite obere Leiterbahn vorzugsweise unterschiedliche Porosität aufweisen.There are advantageously no etching steps in this method. This is achieved by virtue of the fact that the three layers, the first first lower interconnect, the second nanoporous dielectric layer and the third, second interconnect preferably have different porosity.
Die Tinte jeder weiteren Schicht sollte eine größere Partikelgröße haben als die vorhergehende, untere Schicht, sodass die Schichten während des Druckens in der flüssigen Phase, z. B. mittels Tintenstrahldruck, nicht in die darunter liegende Schicht hineinfließen können. Dadurch ist es möglich, die verschiedenen Lagen zuverlässig elektrisch zu trennen und Kurzschlüsse durch Brücken aus leitendem Material, das durch die dielektrische Trennschicht fließt, zu verhindern.The ink of each further layer should have a larger particle size than the previous lower layer, so that the layers during printing in the liquid phase, for. B. by ink jet printing, can not flow into the underlying layer. This makes it possible to reliably electrically disconnect the various layers and to prevent short circuits through bridges of conductive material flowing through the dielectric separation layer.
Vorteilhaft wird die Tinte für die poröse dielektrische Schicht so vorbereitet, dass sie nach ihrer Deposition auf die erste Leiterbahn, z. B. mittels eines Tintenstrahldrucks, aushärtet und die gewünschte Porosität aufweist, aber zugleich noch immer genug Flüssigkeit enthält um einen Transport der Redox-Moleküle zu den Elektroden zu gewährleisten.Advantageously, the ink for the porous dielectric layer is prepared so that after its deposition on the first conductor, z. B. by means of an ink jet, cures and has the desired porosity, but at the same time still contains enough liquid to ensure transport of the redox molecules to the electrodes.
Dieser Effekt kann erfindungsgemäß durch die Verwendung von Sol-Gel-Materialien und einer Sol-Gel-Tinte mit einem Lösungsmittel mit niedrigem Dampfdruck bzw. niedriger Dampfrate bzw. hohem Siedepunkt erreicht werden.This effect can be achieved according to the invention by the use of sol-gel materials and a sol-gel ink with a solvent having a low vapor pressure or low vapor pressure or high boiling point.
Vorzugsweise weist die Tinte hierfür z. B. Tetramethylorthosilicat (TMOS), Tetraethylorthosilicat (TEOS), Tetraisopropylorthosilicat (TPOS) als Silikat für das Sol-Gel auf. Die Tinte kann auch mit anderen Materialien wie z. B. mit Aluminium-(2-propylat), Aluminium-(2-butylat), Zirconiumpropylat, Titanethylat, Titan-(2-propylat) oder ähnlichem hergestellt werden. Generell soll für eine Sol-Gel-Tinte für das nanoporöse Dielektrikum ein Alkoxid eines Elements verwendet werden ausgewählt aus der Gruppe Silizium, Titan, Aluminium, Zirconium, Germanium, Zinn, Blei und Antimon. Preferably, the ink for this z. As tetramethyl orthosilicate (TMOS), tetraethyl orthosilicate (TEOS), tetraisopropyl orthosilicate (TPOS) as a silicate for the sol-gel. The ink can also be mixed with other materials such. For example, with aluminum (2-propylate), aluminum (2-butylate), zirconium propylate, titanium ethylate, titanium (2-propylate) or the like can be prepared. In general, for a sol-gel ink for the nanoporous dielectric, an alkoxide of an element should be used selected from the group of silicon, titanium, aluminum, zirconium, germanium, tin, lead and antimony.
Ein weiterer Aspekt für das Herstellen dieser Tinte betrifft das Mischen der Alkoxidlösung mit einem Alkohol, entionisiertem Wasser und einem Säurekatalysator und/oder Basenkatalysator mit dem redoxaktiven Molekül zur Herstellung der Tinte für das nanoporöse Dielektrikum.Another aspect of making this ink involves mixing the alkoxide solution with an alcohol, deionized water and an acid catalyst and / or base catalyst with the redox-active molecule to make the ink for the nanoporous dielectric.
Die Tinte für das nanoporöse Dielektrikum kann aber z. B. auch Hydrogel als dielektrisches nanoporöses Material, bzw. die Bestandteile zur Ausbildung von Hydrogelen umfassen.The ink for the nanoporous dielectric but z. B. include hydrogel as a dielectric nanoporous material, or the components for the formation of hydrogels.
Als Lösungsmittel für die nach dem Trocknen des nanoporösen Dielektrikums verbleibende Flüssigkeit können insbesondere aber nicht ausschließlich Glycerin, unterschiedliche Glykole wie z. B. Ethylenglykol, Diethylenglykol, Trithylenglykol, Propylenglykol, Dipropylenglykol, Tripropylenglykol, und so weiter verwendet werden, sowie auch Polyglykole mit unterschiedlichen Kettenlängen z. B. mit bis zu 200, 300, 400, oder mehr Monomereinheiten. Es ist also denkbar, Polyethylenglykol, Polypropylenglykol und so weiter zu verwenden.As a solvent for the remaining after drying of the nanoporous dielectric liquid in particular but not exclusively glycerol, different glycols such. As ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, and so on, as well as polyglycols with different chain lengths z. With up to 200, 300, 400, or more monomer units. It is therefore conceivable to use polyethylene glycol, polypropylene glycol and so on.
Zusätzlich kann die Tinte, wie erwähnt, optional und abhängig von der Speicherart und Anordnung bereits ein redoxaktives Molekül beinhalten.In addition, as noted, the ink may optionally include a redox active molecule depending on the type and location of the storage.
Als redoxaktive Moleküle kommen z. B. Hexacyanoferrat, Iridiumhexachlorid, Ferrocen und deren Derivative wie z. B. Ferrocenmethanol, Ferrocendimethanol, Ferrocenecarbonsäure, Ferrocendicarbonsäure, Quinone und deren Derivative wie z. B. Orthoquinone, Dopamine, Benzoquinone und so weiter in Frage, wie auch andere redoxaktive Moleküle.As redox-active molecules come z. B. hexacyanoferrate, iridium hexachloride, ferrocene and their derivatives such. As ferrocene methanol, ferrocene dimethanol, ferrocenecarboxylic acid, ferrocenedicarboxylic acid, quinones and their derivatives such. Orthoquinones, dopamine, benzoquinone and so on, as well as other redox-active molecules.
Nach der Deposition der zweiten Leiterbahn als obere Elektrode über dem Dielektrikum, sollen die Redox-Moleküle in der verbleibenden Flüssigkeit der dielektrischen nanoporösen Schicht frei diffundieren und an die Elektroden für die Redoxreaktion gelangen.After the deposition of the second trace as the upper electrode over the dielectric, the redox molecules in the remaining liquid of the dielectric nanoporous layer should diffuse freely and reach the electrodes for the redox reaction.
Die dielektrische nanoporöse Schicht erfüllt mindestens zwei Funktionen:
- 1.) Sie entkoppelt die beiden Elektroden, das heißt die untere und die obere, mit einer sehr dünnen, in der Regel kleiner als 1000 nm, am besten 100–300 nm dicken, dielektrischen Schicht elektrisch voneinander.
- 2.) Das Dielektrikum erlaubt im fertig ausgebildeten Zustand die Diffusion der elektrochemisch aktiven Moleküle (Redox-Moleküle) an die Elektroden, damit ein Redox-Cycling-Prozess zwischen der unteren und der oberen Elektrode stattfinden kann.
- 1.) It decouples the two electrodes, that is, the lower and the upper, with a very thin, usually smaller than 1000 nm, preferably 100-300 nm thick dielectric layer electrically from each other.
- 2.) The dielectric in the finished state allows the diffusion of the electrochemically active molecules (redox molecules) to the electrodes, so that a redox cycling process can take place between the lower and the upper electrode.
Alle Materialien, die diese zwei Anforderungen erfüllen, können für die nanoporöse dielektrische Schicht verwendet werden, insbesondere sogenannte Sol-Gel-Materialien oder Hydrogele, aber auch andere Materialien. Die Sol-Gel-Bildung eines Silica-Gels am punktförmig aufgetragenen Dielektrikum folgt dabei den Schritten, wie in der Veröffentlichung „The Sol-Gel Preparation of Silica Gels” beschrieben wurde (
In einem weiteren Schritt wird die aus einer Vielzahl an Speicherzellen bestehende Speicherstruktur mit einem nicht porösen Dielektrikum beschichtet, also vollständig passiviert. Hierzu kann z. B. ein Laminierungsverfahren durchgeführt werden. Nur die Kontaktstellen der Leiterbahnen für die elektrische Kontaktierung und dem Anlegen von Spannung bleiben frei.In a further step, the memory structure consisting of a large number of memory cells is coated with a non-porous dielectric, ie completely passivated. For this purpose, z. B. a lamination process can be performed. Only the contact points of the conductor tracks for the electrical contacting and the application of voltage remain free.
Eine Passivierungsschicht mit einer nicht-porösen, und/oder nicht dampf- und/oder gasdurchlässigen Schicht bewirkt vorteilhaft, dass die Flüssigkeit, falls vorhanden, in der dielektrischen nanoporösen Schicht nicht verdampft. Zusätzlich sorgt die Passivierungsschicht als Schutzschicht für eine größere mechanische Stabilität der Strukturen.A passivation layer having a non-porous, and / or non-vapor and / or gas-permeable layer advantageously has the effect that the liquid, if present, does not evaporate in the dielectric nanoporous layer. In addition, the passivation layer as a protective layer ensures greater mechanical stability of the structures.
Es ist vorteilhaft möglich, das Zellen-Array auch in der Höhe zu erweitern, um die Anzahl der Zellen pro Fläche und damit die Speicherdichte zu vergrößern. In einem solchem Design wird ein weiteres Dielektrikum auf der oberen Elektrode aufgebracht und darauf folgend im nächsten Schritt eine zweite obere Elektrode.It is advantageously possible to extend the cell array also in height to increase the number of cells per area and thus the storage density. In such a design, another dielectric is deposited on top of the top electrode, followed by a second top electrode in the next step.
Diese Konfiguration kann weiter in die Z-Richtung erweitert werden, und wird nur durch die Problematik der Kontaktierung von Leiterbahnen für die Speichersteuerung begrenzt. Die Leiterbahnen können des Weiteren auch in Z Richtung verknüpft werden. This configuration can be further extended in the Z direction, and is limited only by the problem of contacting circuit traces for memory control. The interconnects can also be linked in the Z direction.
In einer zweistöckigen Redox-cycling Architektur wird dann die ”erste obere Elektrode” als untere Elektrode für die obere Zelle benutzt, während die ”zweite obere Elektrode” als obere Elektrode für diese Zelle wirkt.In a two-level redox-cycling architecture, the "first upper electrode" is then used as the lower electrode for the upper cell, while the "second upper electrode" acts as the upper electrode for this cell.
Während des Redox-Cycling können die elektrochemisch aktiven Moleküle, die Redox-Moleküle, fortwährend im Flüssigkeitsvolumen der dielektrischen nanoporösen Zwischenschicht des Dielektrikums an den Elektroden abwechselnd oxidiert und reduziert werden. Diese Reaktionen finden also zwischen den Elektroden statt. Dafür werden auf den Elektroden entsprechende oxidierende und reduzierende Potentiale angelegt, sodass die Redox-Moleküle bei Berührung der Elektroden direkt oxidiert bzw. reduziert werden. Dadurch, dass jedes Molekül abwechselnd an der einen Elektrode oxidiert und dann an der anderen Elektrode wieder reduziert werden kann trägt jedes Molekül mehrfach zum Ladungstransport zwischen den Elektroden bei, was wiederum zu einer Verstärkung des Gesamtstroms führt.During redox cycling, the electrochemically active molecules, the redox molecules, can be alternately oxidized and reduced in the liquid volume of the dielectric nanoporous intermediate layer of the dielectric at the electrodes. These reactions therefore take place between the electrodes. For this purpose, corresponding oxidizing and reducing potentials are applied to the electrodes so that the redox molecules are directly oxidized or reduced when the electrodes are touched. By allowing each molecule to be alternately oxidized at one electrode and then reduced again at the other electrode, each molecule contributes multiply to the charge transport between the electrodes, which in turn leads to an increase in the total current.
Für bestimmte Anwendung (z. B. für WORM – write once read many memory) können auch irreversible Oxidationszustände angestrebt werden. In diesem Fall ist die Rückreaktion nicht möglich. Beispielweise weisen die Moleküle aus der Viologen-Familie vorteilhaft solche Eigenschaften auf. Sie kommen meistens in drei Oxidationszuständen vor, in denen die zweite Oxidationsreaktion meistens irreversibel verläuft:
Alle Moleküle, die dieser Reaktion folgen, können grundsätzlich für WORM-Speicherzellen verwendet werden.All molecules that follow this reaction can basically be used for WORM memory cells.
Die Bewegung der Redox-Moleküle im flüssigen Medium des Dielektrikums zwischen den Elektroden ist durch die Diffusion im nanoporösen Dielektrikum getrieben. Bei einer diffusionsgetriebenen Bewegung skaliert die Transportzeit mit dem Quadrat der Strecke, daher ist für die Realisierung eines solchen Speichers eine spezielle Anordnung der Elektroden nötig, in der die Elektroden sehr nah aneinander liegen. Die Effizienz des Redox-Cyclings bzw. die Verstärkung des Signals ist vom Quadrat des Abstandes zwischen den Elektroden abhängig.The movement of the redox molecules in the liquid medium of the dielectric between the electrodes is driven by the diffusion in the nanoporous dielectric. In a diffusion-driven movement, the transport time scales with the square of the distance, therefore, for the realization of such a memory, a special arrangement of the electrodes is necessary, in which the electrodes are very close to each other. The efficiency of the redox cycling or the amplification of the signal depends on the square of the distance between the electrodes.
Für die Elektroden wird idealerweise ein Abstand im Nanometer bis Mikrometer-Bereich verwendet, was eine große Stromverstärkung erlaubt. Der absolute Redox-Cycling-Strom skaliert dabei linear mit der Konzentration der Redox-Moleküle.For the electrodes, a distance in the nanometer to micrometer range is ideally used, which allows a large current gain. The absolute redox cycling current scales linearly with the concentration of the redox molecules.
Auf diese Weise wird insbesondere eine gedruckte, auf Redox-cycling basierende, elektrochemische Speichervorrichtung, die als nicht-volatiler Speicher wirkt, bereitgestellt. Besondere Eigenschaften, die diese Vorrichtung aufweist sind:
- – nicht-volatiler Speicher;
- – niedrige Produktionskosten (< 1 Cent) durch Druckverfahren (Rolle zu Rolle);
- – energiesparende (fJ – nJ je Vorgang) Auslese- und Schreibvorgänge;
- – Verschiedene Konfigurationen in Abhängigkeit vom verwendeten redoxaktiven Molekül: ”read-only memory” (ROM), ”write once read many memory” (WORM) und ”re-writable memory” (RW)
- – Typische absolute Speicherkapazitäten von wenigen Bit bis zu mehreren KBytes;
- – Sehr große Varianz in der Realisierung der Speicherdichte möglich in Abhängigkeit von der Herstellungstechnik und des Ausleseverfahrens;
- – Möglichkeit von Multi-Level-Kodierung, das heißt Speicherzellen, bei denen nicht nur zwei Zustände ”0” und ”1” aufgeschrieben werden können, sondern mehr, wie z. B. ”0”, ”1”, ”2” und ”3” und so weiter. Diese können durch das Herstellungs- und/oder Ausleseverfahren erreicht werden. Unter Schreiben versteht man erfindungsgemäß die Aktivierung/Deaktivierung des Moleküls um es entsprechend redoxaktiv/redoxinaktiv zu machen. Beispielweise kann man dies durch die Änderung des Oxidationszustands des Moleküls wie beim Viologen (V2+ ↔ V+ → V0) erreichen.
- - non-volatile memory;
- - low production costs (<1 cent) through printing (roll to roll);
- - energy saving (fJ - nJ per process) read and write operations;
- - Different configurations depending on the used redox-active molecule: "read-only memory" (ROM), "write once read many memory" (WORM) and "re-writable memory" (RW)
- - Typical absolute storage capacities from a few bits to several KBytes;
- - Very large variance in the realization of the storage density possible depending on the manufacturing technique and the readout method;
- - Possibility of multi-level coding, that is memory cells in which not only two states "0" and "1" can be written down, but more, such as. "0", "1", "2" and "3" and so on. These can be achieved by the manufacturing and / or Ausleseverfahren. Writing is understood according to the invention to be the activation / deactivation of the molecule in order to make it correspondingly redox-active / redoxin-active. For example, this can be achieved by changing the oxidation state of the molecule as in the viologen (V 2+ ↔ V + → V 0 ).
Es können aber auch strukturelle Änderungen des Moleküls, die durch die Oxidation/Reduktion verursacht werden, wie z. B. bei unterschiedlichen Ferrocen-Derivativen (A ↔ B ↔ C) erreicht werden. Um alle diese mögliche Änderungen zusammenzufassen und um Ladungsbilanz-Probleme in den Formeln zu vermeiden, werden die Moleküle schematisch als A ↔ B, B ↔ C, A ↔ D, und so weiter bezeichnet.
- – Typische erreichbare Speicherdichten des Sensors (ohne Zuleitung): 10–105 pro Bit/mm2 in Abhängigkeit vom Herstellungsverfahren. Bei multi-level Speicherzellen ist die Speicherdichte deutlich höher.
- – Kompatibilität mit Vorrichtungen und Protokollen für RFID/NFC und anderen drahtlosen Kommunikationssystemen, die im Internet-of-Things (IoT) benutzt werden;
- – Kompatibilität mit Vorrichtungen und Prozessen der gedruckter Elektronik für Anwendungen in IoT;
- – mögliche Nutzung nicht-toxischer/umweltbelastender Materialien für die Speicherherstellung (insbesondere für den Einsatz in Lebensmittelverpackungen);
- – Redox-cycling Verfahren ohne Referenzelektrode, da abgeschlossenes Speichersystem.
- - Typical achievable storage densities of the sensor (without supply line): 10-10 5 per bit / mm 2 depending on the manufacturing process. With multi-level memory cells, the storage density is significantly higher.
- - Compatibility with devices and protocols for RFID / NFC and other wireless communication systems used in the Internet of Things (IoT);
- Compatibility with printed electronics devices and processes for applications in IoT;
- - possible use of non-toxic / polluting materials for storage production (especially for use in food packaging);
- - Redox-cycling process without reference electrode, since closed storage system.
Das Verfahren zur Herstellung der Speicherzelle(n) ist insbesondere gekennzeichnet dadurch, dass die erste Leiterbahn und/oder das Dielektrikum und/oder die zweite Leiterbahn mit einem Druck-Verfahren und zwar insbesondere mir Tintenstrahldruck bereitgestellt werden kann. Dies ist vorteilhaft preiswerter als Siliziumfabrikationstechnologien.The method for producing the memory cell (s) is characterized in particular by the fact that the first printed conductor and / or the dielectric and / or the second printed conductor can be provided by a printing method, in particular by inkjet printing. This is advantageously cheaper than silicon fabrication technologies.
Das Verfahren kann ausgeführt werden durch die Wahl einer Tinte für das Dielektrikum, welche nach dem Aufbringen auf die erste Leiterbahn getrocknet wird und ein Sol-Gel oder ein Hydrogel mit Poren ausbildet. Dies stellt insbesondere nach einem Printvorgang eine vergleichsweise einfache Möglichkeit dar, das nanoporöse Dielektrikum zu definieren und mit einer bestimmten Größe an Poren bereit zu stellen. Hierzu kann ein Verfahren genutzt werden wie es z. B. in The Sol-Gel Preparation of Silica Gels beschrieben wurde (
Erfindungsgemäß kann eine Tinte gewählt werden, welche bereits neben den Bestandteilen zur Ausbildung der Gele auch die redoxaktiven Moleküle umfasst, die nach dem Druck bzw. der Ausbildung des nanoporösen Dielektrikums in den Poren des Dielektrikums an die Elektroden diffundieren und an diesen elektrochemisch reagieren. Dies stellt vorteilhaft eine deutliche Vereinfachung des Verfahrens dar.According to the invention, an ink can be selected which already comprises, in addition to the components for forming the gels, also the redox-active molecules which diffuse to the electrodes in the pores of the dielectric after the pressure or the formation of the nanoporous dielectric and react electrochemically thereon. This advantageously represents a significant simplification of the process.
Es versteht sich, dass die Verfahrensschritte nach Patentanspruch 1 wiederholt werden können. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass die Schritte zur Ausbildung einer Vielzahl an orthogonal zueinander angeordneten Leiterbahnen in einem Speicherarray herangezogen werden können. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass eine „crossbar”-Struktur bereitgestellt wird.It is understood that the method steps according to
Mittels der ”crossbar”-Architektur von mehreren Redox-Cycling-Speicherzellen an den Kreuzungspunkten wird vorteilhaft bewirkt, dass man pro 2n Kontaktpunkten n^2 Redox-Cycling Zellen und entsprechend n^2 Bits erzeugt. Dies führt zur höchstmöglichen zweidimensionalen Packungsdichte.By means of the "crossbar" architecture of several redox cycling memory cells at the crossing points, it is advantageously effected that for every 2n contact points, n.sub.2 redox cycling cells and correspondingly n.sup.2 bits are generated. This leads to the highest possible two-dimensional packing density.
Es ist wichtig zu verstehen, dass auch ohne Redox-Cycling-Reaktion in dieser Speicherart elektrochemische Ströme zu Stande kommen können. Wenn an zwei orthogonal liegenden Leiterbahnen entsprechende Auslesepotentiale (kathodisches Auslesepotentialred und anodisches AuslesepotentialOx) angelegt werden um den Zustand des Bits auszulesen, wird an allen Kreuzungspunkten mit redoxaktiven Molekülen auf den Leiterbahnen ein elektrochemischer Strom erzeugt. Da aber an allen Bits bis auf den Kreuzungspunkt der Leiterbahnen nur eine Elektrode auf eines der beiden Auslesepotentiale (Ox oder Red) gelegt wird, ist in den anderen Bits nur eine Teilreaktion, also A → B, oder B → A möglich. Der Strom wird also nicht verstärkt und weist damit einen deutlich niedrigeren Wert auf als für den Bit am Kreuzungspunkt beider adressierten Leiterbahnen, wo die Hin- und die Rückreaktion möglich ist.It is important to understand that even without redox cycling reaction in this type of storage electrochemical currents can come to pass. If appropriate read-out potentials (cathodic read potential red and anodic read potential Ox ) are applied to two orthogonally lying printed conductors in order to read out the state of the bit, an electrochemical current is generated at all points of intersection with redox-active molecules on the printed conductors. Since, however, only one electrode is connected to one of the two readout potentials (Ox or Red) at all bits except for the intersection point of the interconnects, only a partial reaction, ie A → B, or B → A, is possible in the other bits. The current is thus not amplified and thus has a significantly lower value than for the bit at the intersection point of both addressed interconnects, where the back and the backward reaction is possible.
Der zu überschreitende Schwellwert, an dem ein gemessener Strom durch Redoxcycling-Verstärkung der Reaktion A ↔ B und damit als Zustand 1 gewertet wird, ist erfindungsgemäß vorzugsweise mindestens dreimal so hoch, wie das nicht verstärkte Rauschen (current noise). Diese Definition gilt für alle genannten Speicherzellen ROM/WORM/RW.The threshold value to be exceeded, at which a measured current is evaluated by redox cycling amplification of the reaction A ↔ B and thus as
Durch diese größeren Stromstärkeunterschiede am Kreuzungspunkt zu allen anderen Speicherzellen des Arrays ergibt sich ein hohes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis. Dieses Signal-zu-Rauschen-Verhältnis ermöglicht den Redox-Cycling basierten elektrochemischen Speicher. Der Zustand eines Bits als „1” wird dann mit einem gewissen Mindeststrom verknüpft, der bei Anlegen der Auslesepotentiale erreicht werden muss. Dieser Mindeststrom muss selbstverständlich größer definiert sein, als der Hintergrundstrom durch die Halbreaktion auf den nicht angesprochenen Bits auf den jeweiligen Leiterbahnen.These larger differences in current at the crossing point to all other memory cells of the array results in a high signal-to-noise ratio. This signal-to-noise ratio enables redox cycling based electrochemical storage. The state of a bit as "1" is then linked to a certain minimum current which must be reached when the read-out potentials are applied. Of course, this minimum current must be defined to be larger than the background current due to the half-reaction to the unaddressed bits on the respective printed conductors.
Mit dem Verfahren können ferner durch die Wahl von Tinte mit unterschiedlichen Konzentrationen und/oder Substanzen an redoxaktiven Molekülen für das Speicherarray folgende Vorteile im Verfahren genutzt werden:
So ist es möglich, eine Speichzelle mit Multi-Level-Kodierung zu realisieren, in der außer zwei binäre Zustände ”0” (keine Redox-Moleküle) und ”1” (anwesende Redox-Moleküle) auch weitere Zustände vorhanden sind. Dieses wird z. B. durch die Deponierung von Tinten mit unterschiedlichen Konzentrationen an Redox-Moleküle in den Speicherzellen realisiert. The method can further be used in the method by the choice of ink with different concentrations and / or substances on redox-active molecules for the storage array following advantages:
Thus, it is possible to realize a memory cell with multi-level coding, in which besides two binary states "0" (no redox molecules) and "1" (present redox molecules) also other states are present. This is z. B. realized by the deposition of inks with different concentrations of redox molecules in the memory cells.
Beispiel: Bei dem Ausleseverfahren werden 16 unterschiedliche Konzentrationen, Z. B. 0 μM, 1 μM, 5 μM, 10 μM, 25 μM, 50 μM, 100 μM, 200 μM, 300 μM, 400 μM, 500 μM, 600 μM, 700 μM, 800 μM, 900 μM, 1000 μM vom redoxaktiven Molekül Ferrocendimethanol unterschieden. Dadurch können vorteilhaft 16 unterschiedliche Zustände in jede einzelne Speicherzelle geschrieben werden. Es können dann für den Speicher statt einer binären Basis z. B. ein Hexadezimalsystem genutzt und Einheiten des hexadezimalen Systems, 16-Basis (HEX), geschrieben werden: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F, kurz 0 bis F.Example: In the readout method, 16 different concentrations, eg 0 μM, 1 μM, 5 μM, 10 μM, 25 μM, 50 μM, 100 μM, 200 μM, 300 μM, 400 μM, 500 μM, 600 μM, 700 μM, 800 μM, 900 μM, 1000 μM distinguished from the redox-active molecule ferrocendimethanol. As a result, advantageously 16 different states can be written into each individual memory cell. It can then for the memory instead of a binary base z. For example, a hexadecimal system may be used and units of the hexadecimal 16-base (HEX) system written: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E , F, short 0 to F.
Dadurch wird die Speicherdichte, das heißt die mögliche Art Speicherzustände je physikalische Fläche vorteilhaft erhöht. Damit bieten diese Speicherzellen mit Multi-Level-Kodierung viel höhere Kapazitäten, obwohl die Anzahl der Speicherknoten gleich bleibt. Beispielweise fasst man normalerweise acht Bits zusammen in einem Byte. Bei binären (”0” oder ”1”) Bits entspricht ein Byte maximal der Zahl Sum(n = von 0 bis 7) 2^n = 2^0 + 2^1 + 2^2 + 2^3 + 2^4 + 2^5 + 2^6 + 2^7 = 255. Das heißt man kann mit einem binärem Byte Zahlen von 0 bis 255 speichern.This advantageously increases the storage density, that is to say the possible type of memory state per physical area. Thus, these memory cells with multi-level coding offer much higher capacities, although the number of storage nodes remains the same. For example, you usually put eight bits together in one byte. For binary ("0" or "1") bits, one byte corresponds at most to the number Sum (n = from 0 to 7) 2 ^ n = 2 ^ 0 + 2 ^ 1 + 2 ^ 2 + 2 ^ 3 + 2 ^ 4 + 2 ^ 5 + 2 ^ 6 + 2 ^ 7 = 255. That means you can store numbers from 0 to 255 with a binary byte.
Erfindungsgemäß entspricht im Vergleich hierzu durch die Nutzung hexadezimaler Byte (”A” bis ”9”) die maximal darstellbare Zahl in einem Byte Zahl Sum(n = von 0 bis 7) 16^n = 16^0 + 16^1 + 16^2 + 16^3 + 16^4 + 16^5 + 16^6 + 16^7 = 286.331.153, das heißt man kann die Zahlen von 0 bis 286.331.153 speichern. Das führt erfindungsgemäß zu einer deutlich höheren Speicherdichte als bei herkömmlichen Speichersystemen. Die Unterschiede zwischen dem binären und dem hexadezimalen Speicherzellensystem kann man der Tabelle 1 (binär) und 2 (HEX) entnehmen: Tabelle 1: Binäres System und so weiter. Tabelle 2: Hexadezimales System und so weiter.According to the invention, by comparison with the use of hexadecimal bytes ("A" to "9"), the maximum representable number in a byte number Sum (n = from 0 to 7) 16 ^ n = 16 ^ 0 + 16 ^ 1 + 16 ^ 2 + 16 ^ 3 + 16 ^ 4 + 16 ^ 5 + 16 ^ 6 + 16 ^ 7 = 286,331,153, which means you can store the numbers from 0 to 286,331,153. This leads according to the invention to a significantly higher storage density than in conventional storage systems. The differences between binary and hexadecimal storage cell systems can be seen in Table 1 (binary) and 2 (HEX): Table 1: Binary system and so on. Table 2: Hexadecimal system and so on.
Erfindungsgemäß werden beide Speichersysteme und weitere Systeme realisiert.According to the invention, both storage systems and other systems are realized.
Ein erfindungsgemäßer elektrochemischer Speicher bzw. eine solche Speicherzelle, umfasst zunächst mindestens eine Anordnung aus einer ersten elektrisch kontaktierbaren Leiterbahn auf einem nicht leitenden Substrat, einer orthogonal hierzu angeordneten zweiten elektrisch kontaktierbaren Leiterbahn, wobei die Leiterbahnen am Kreuzungspunkt Elektrodenfunktion aufweisen und wobei am Kreuzungspunkt zwischen den beiden Leiterbahnen ein poröses Dielektrikum mit frei in den Poren diffundierbaren redoxaktiven Molekülen angeordnet ist. Diese redoxaktiven Moleküle werden an den Elektroden der Leiterbahnen durch Anlegen von elektrischer Spannung (Auslesepotentiale Ox und Red) zur Erzeugung eines definierten Zustandes bzw. zum Auslesen des Zustandes oxidiert und reduziert wobei der Speicher aus Substrat, Leiterbahnen und Dielektrikum vollständig durch eine Passivierungsschicht passiviert ist. Es gibt keine gesonderten Zuführungen oder Ableitungen für redoxaktive Moleküle, so dass es sich um einen nicht volatilen Speicher, genauer um eine einzige Speicherzelle hiervon handelt. Schreibvorgänge für WORM- und RW-Speicherzellen sind ebenfalls möglich, wie gezeigt werden wird. An inventive electrochemical memory or such a memory cell initially comprises at least one arrangement of a first electrically contactable conductor on a non-conductive substrate, a orthogonal thereto arranged second electrically contactable conductor, wherein the conductors have at the intersection point electrode function and wherein at the intersection between the two Conductors a porous dielectric is arranged with freely diffusible in the pores redox-active molecules. These redox-active molecules are oxidized and reduced at the electrodes of the interconnects by applying electrical voltage (read-out potentials Ox and Red) to generate a defined state or to read out the state, whereby the memory of substrate, interconnects and dielectric is completely passivated by a passivation layer. There are no separate leads or derivatives for redox-active molecules, so it is a non-volatile memory, more specifically a single memory cell thereof. Writes for WORM and RW memory cells are also possible, as will be shown.
Ein erfindungsgemäßes Speicherarray weist eine Vielzahl solcher passivierter elektrochemischer Speicherzellen) in „crossbar”-Konfiguration auf, hergestellt mit dem oben beschriebenen Verfahren.A memory array according to the invention has a multiplicity of such passivated electrochemical memory cells) in "crossbar" configuration, produced by the method described above.
Vorzugsweise ist in einer Ausgestaltung der Erfindung ein Speicherarray durch eine Vielzahl an Speicherzellen gekennzeichnet. Ein erfindungsgemäßes Speicherarray ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher, bzw. die einzelnen Speicherzellen, Dielektrika mit jeweils verschiedenen Konzentrationen an redoxaktiven Molekülen und/oder verschiedene und/oder keine redoxaktive Moleküle aufweisen. Dadurch werden vorteilhaft Speicherzellen mit einer Multi-Level-Kodierung aus der vorgeschlagenen Vorrichtung entwickelt.Preferably, in one embodiment of the invention, a memory array is characterized by a plurality of memory cells. A memory array according to the invention is characterized in particular by the fact that the memories or the individual memory cells have dielectrics each having different concentrations of redox-active molecules and / or different and / or no redox-active molecules. This advantageously develops memory cells with a multi-level coding from the proposed device.
Die Konfiguration mit mehreren Arten von Redox-Molekülen kann besonders vorteilhaft zudem mit der Konfiguration von mehreren Konzentrationen der redoxaktiven Moleküle kombiniert werden um weitere, noch komplexere Speicherzellen, mit Multi-Level-Kodierung herzustellen.The configuration with multiple types of redox molecules can also be advantageously combined with the configuration of multiple concentrations of the redox-active molecules to produce even more complex memory cells with multi-level coding.
Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass ein nicht-volatiler Speicher durch eine gedruckte Vorrichtung basierend auf Redox-Cycling und ”crossbar”-Architektur bereitgestellt wird. Der Speicher wird hierzu mit dielektrischer nanoporöser Tinte, welche Redox-Moleküle umfasst, hergestellt.This advantageously provides for a non-volatile memory to be provided by a printed device based on redox cycling and crossbar architecture. The memory is for this purpose made with dielectric nanoporous ink comprising redox molecules.
Das Speicherarray kann mindestens einen Speicherzustand ohne ein redoxaktives Molekül zur Ausbildung von Zustand 0 und mindestens einem Speicherzustand mit einem redoxaktiven Molekül umfassen, wobei das redoxaktive Molekül durch Anlegen von Spannung (Auslesepotential Ox und Red) über die Leiterbahnen an die Elektroden reversibel nur eine oxidierte und eine reduzierte Form zur Ausbildung von Zustand 1 ausbildet.The storage array can comprise at least one storage state without a redox-active molecule for forming
In den nachfolgenden Tabellen 3 bis 5 stellt das Symbol Fragezeichen („?”) einen unbekannten Speicherzellenwert dar. GND = Masse; Auslesepotential = Potential an der Kathode und an der Anode, das nur zum Treiben der reversiblen Redoxreaktion A ↔ B zum Auslesen des Speicherzellenwerts bzw. Zustands „1” ausreicht, nicht jedoch um Schreibvorgänge zu erzeugen; Schreibpotential = Potential an der Kathode und an der Anode, das zum Treiben einer reversiblen oder irreversiblen Redoxreaktion zur Umschreibung der redoxaktiven Moleküle A und/oder B durch Oxidation und/oder Reduktion und Erzeugung des Speicherzellenwerts bzw. Zustands „0” (binär) oder eines Zwischenwerts (hex oder anderes System) ausreicht. Im Falle von WORM erzeugt ein Schreibpotential gerichtet einen Zustand von fortlaufend geringerer Konzentrationen an [A und B] in der Speicherzelle, im Falle von RW ist die Konzentration an [A und B] erneuerbar.In the following Tables 3 to 5, the symbol question mark ("?") Represents an unknown memory cell value. GND = ground; Read potential = potential at the cathode and at the anode, which is sufficient only for driving the reversible redox reaction A ↔ B for reading out the memory cell value or state "1", but not for generating write operations; Write potential = potential at the cathode and at the anode, which is used to drive a reversible or irreversible redox reaction to rewrite the redox-active molecules A and / or B by oxidation and / or reduction and generation of the memory cell value or state "0" (binary) or a Intermediate value (hex or other system) is sufficient. In the case of WORM, a write potential directionally produces a state of progressively lower concentrations of [A and B] in the memory cell, in the case of RW the concentration of [A and B] is renewable.
ROMROME
- 1.a. ROM: Eine ROM-Speicherzelle ist vorteilhaft dadurch gekennzeichnet, dass sie ein nanoporöses Dielektrikum entweder ohne oder mit einem redoxaktiven Molekül umfasst. In der ROM mit einem redoxaktiven Molekül findet genau eine Redoxreaktion statt, mit der das redoxaktive Molekül reversibel zwischen seinen zwei Oxidationsstufen wechselt, dem oxidierten und dem reduzierten Zustand.1.a. ROM: A ROM memory cell is advantageously characterized in that it comprises a nanoporous dielectric either without or with a redox-active molecule. In the ROM with a redox-active molecule, a redox reaction takes place, reversibly switching the redox-active molecule between its two oxidation states, the oxidized state and the reduced state.
Folgende Modi zum Beschreiben und Auslesen sind möglich, siehe Tabelle 3a, 3b und die
Für eine binäre ROM-Konfiguration werden also zwei verschiedene Arten der dielektrischen nanoporösen Schicht an den Kreuzungspunkten aufgebracht: eine mit redoxaktiven Molekülen (so genannter Zustand ”1”) und eine ohne redoxaktive Moleküle (Zustand ”0”). Wenn an der unteren und an der oberen Elektrode über die Leiterbahnen als Auslesepotentiale, die das Normalpotential des redoxaktiven Moleküls übersteigende Oxidations- und Reduktionspotentiale angelegt werden, wird in den Zellen mit redoxaktiven Molekülen ein Redox-Cycling stattfinden, während in der Zelle ohne redoxaktive Moleküle nur Hintergrundrauschen auftritt. Durch das Auslesen des Stromsignals der Elektroden kann man entsprechend ”1”- und ”0”-Zustände der Speicherzelle erkennen. Das redoxaktive Molekül soll entsprechend ein möglichst niedriges reversibles Oxidations- und Reduktionspotential haben, um die Ausleseenergie zu reduzieren. Für ROM findet nur die folgende Reaktion statt:
- 1.b. Multi-level ROM: wie 1.a. aber mit mehreren Konzentrationen von Redox-Molekülen, z. B. mit 16 verschiedenen Konzentrationen von z. B. 0 μM, 1 μM, 5 μM, 10 μM, 25 μM, 50 μM, 100 μM, 200 μM, 300 μM, 400 μM, 500 μM, 600 μM, 700 μM, 800 μM, 900 μM, 1000 μM an z. B. Ferrocendimethanol als redoxaktives Molekül für die Erzeugung von hexadezimalen Speicherzellen im Speicherarray.
- 1.b. Multi-level ROM: as 1.a. but with multiple concentrations of redox molecules, e.g. B. with 16 different concentrations of z. 0 μM, 1 μM, 5 μM, 10 μM, 25 μM, 50 μM, 100 μM, 200 μM, 300 μM, 400 μM, 500 μM, 600 μM, 700 μM, 800 μM, 900 μM, 1000 μM z. B. ferrocendimethanol as a redox-active molecule for the generation of hexadecimal memory cells in the memory array.
Dann ergeben sich folgende Modi zum Auslesen des ROM-Speicherarray gemäß der Tabelle 3b. Tabelle 3b: ROM – Hexadezimales System (HEX). Dieser Teil ist auch nach den Schreibvorgängen in WORM-Speicherarray und RW-Speicherarray gültig.
Multi-level ROM (HEX) – beispielhaft, das heißt nicht alle 16 Zustände werden beschrieben:
Es werden entsprechend Auslesepotentiale an der Kathode VAuslesen(red) und/oder an der Anode VAuslesen(ox) angelegt, die oberhalb (Oxidation) bzw. unterhalb (Reduktion) des Normalpotentials des redoxaktiven Moleküls liegen und somit die zyklische Redoxreaktion A ↔ B im Dielektrikum treiben.According to readout potentials at the cathode V read (red) and / or at the anode V, readouts (ox) are applied which are above (oxidation) or below (reduction) the normal potential of the redox-active molecule and thus the cyclic redox reaction A ↔ B drift in the dielectric.
Der Absolutwert des gemessenen Stroms ist linear von der Konzentration des redoxaktiven Moleküls abhängig und kann verschiedenen Speicherzellenwerten zugeordnet werden (siehe auch
WORMWORM
- 2.a. WORM: Die WORM-Speicherzelle ist vorteilhaft dadurch gekennzeichnet, dass sie ein nanoporöses Dielektrikum mit einem redoxaktiven Molekül umfasst.2.a. WORM: The WORM memory cell is advantageously characterized by comprising a nanoporous dielectric having a redox-active molecule.
Für die Herstellung einer WORM-Speicherzelle wird das Dielektrikum mit einem redoxaktiven Molekül hoher Konzentration hergestellt. Die Konzentration des redoxaktiven Moleküls wird besonders hoch gewählt um möglichst viele irreversible Schreibvorgänge zu ermöglichen.For the production of a WORM memory cell, the dielectric is produced with a redox-active molecule of high concentration. The concentration of the redox-active molecule is chosen to be particularly high in order to enable as many irreversible write operations as possible.
In jeder WORM-Speicherzelle findet eine reversible Redoxreaktion statt, und mindestens eine irreversible Oxidation und/oder Reduktion.In each WORM memory cell there is a reversible redox reaction, and at least one irreversible oxidation and / or reduction.
Folgende Modi zum Beschreiben und Auslesen sind möglich, siehe Tabelle 4a, 4b und die
Es ist durch die Wahl eines geeigneten redoxaktiven Moleküls in der Tinte möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch WORM-Speicher bereit zu stellen. Hierzu weist die Speicherzelle mindestens zwei Speicherzustände auf, mit jeweils dem selben Molekül, wobei das Molekül ohne Anlegen von Spannung einen ersten Zustand 0 (nicht redoxaktiv) oder 1 (redoxaktiv) ausbildet und durch Anlegen von Spannung irreversibel entsprechend den zweiten Zustand 1 (redoxaktiv) oder 0 (nicht redoxaktiv) ausbildet. Der redoxaktive Zustand „1” weist auf die reversible Redox-Reaktion hin, die durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Redox-Cycling-Strom resultiert.It is possible by the choice of a suitable redox-active molecule in the ink to provide WORM memory with the inventive method. For this purpose, the memory cell has at least two memory states, each having the same molecule, the molecule forming a first state 0 (not redox active) or 1 (redox active) without voltage being applied and irreversibly corresponding to the second state 1 (redox active) by applying voltage. or 0 (not redox active). The redox-active state "1" indicates the reversible redox reaction that results from a device according to the invention in redox cycling current.
Für die WORM-Konfiguration wird an allen Kreuzungspunkten eine dielektrische nanoporöse Schicht mit einem löslichen redoxaktiven Molekül (Zustand ”1”) mit einer entsprechend großen Diffusionskonstante auf der ersten Leiterbahn angeordnet und mit der zweiten oberen Leiterbahn geschlossen, um die Redox-Cycling Speicherzelle zu formen. Das heißt direkt nach der Herstellung haben alle diese Zellen einen Default Wert ”1”.For the WORM configuration, a dielectric nanoporous layer with a soluble redox-active molecule (state "1") with a correspondingly large diffusion constant is formed at all crossing points the first trace and closed with the second upper trace to form the redox cycling memory cell. This means that immediately after production, all these cells have a default value of "1".
Um aus dem Wert ”1” einen Wert ”0” zu erzeugen, soll ein Potential zwischen den beiden Elektroden des Kreuzungspunktes angelegt werden, welches die Redox-Moleküle irreversibel verändert, so dass bei dem Anlegen von einem ”normalen” niedrigen Auslesepotential, keine Redox-Cycling-Reaktion an diesem Kreuzungspunkt mehr stattfindet. Die Redox-Cycling-Reaktion findet nicht mehr statt, weil die irreversibel veränderten Moleküle nicht mehr redoxaktiv sind. Siehe auch die
Diese Redox-Moleküle müssen entsprechend einen niedrigen reversiblen Oxidations- und Reduktionzustand haben, und zusätzlich auch einen höheren irreversiblen Oxidations- oder Reduktionszustand.Accordingly, these redox molecules must have a low reversible oxidation and reduction state and, in addition, a higher irreversible oxidation or reduction state.
Beispielweise weisen die Moleküle aus der Viologen-Familie solche Eigenschaften auf. Diese Moleküle weisen bis zu drei Oxidationszustände auf, in denen die zweite Oxidationsreaktion meistens irreversibel verläuft.For example, the molecules of the Viologen family have such properties. These molecules have up to three oxidation states, in which the second oxidation reaction usually proceeds irreversibly.
Generell müssen in WORM-Speicherzellen also folgende spannungsgetriebene Reaktionen stattfinden können:
- 1.) A ↔ B und
- 2.) B → C und/oder
- 3.) A → D
- 1.) A ↔ B and
- 2.) B → C and / or
- 3.) A → D
Wobei der Schritt 1) reversibel und die Schritte 2) und/oder 3) irreversibel sind.Wherein step 1) is reversible and steps 2) and / or 3) are irreversible.
Alternativ kann für eine WORM-Konfiguration an allen Kreuzungspunkten eine dielektrische nanoporöse Schicht mit einem unlöslichen Redox-Molekül bzw. einem redoxaktiven Molekül mit einer entsprechend kleinen Diffusionskonstante im so genannten Default Zustand ”0” angeordnet werden.Alternatively, for a WORM configuration at all crossing points, a dielectric nanoporous layer with an insoluble redox molecule or a redox-active molecule with a correspondingly small diffusion constant in the so-called default state "0" can be arranged.
Das heißt, diese Speicherzellen weisen direkt nach ihrer Herstellung einen Wert ”0” auf. Um aus dem Wert ”0” einen Wert ”1” zu erzeugen, soll ein Potential zwischen den beiden Elektroden des Kreuzungspunktes angelegt werden, das die Redox-Moleküle irreversibel verändert, so dass sie löslich werden und eine große Diffusionskonstante bekommen. Dann wird beim Anlegen von einem ”normalen” niedrigen Auslesepotential eine Redox-Cycling-Reaktion gemäß Schritt 3.) an diesem Kreuzungspunkt stattfinden.
- 1.) C → B und/oder
- 2.) D → A und
- 3.) A ↔ B
- 1.) C → B and / or
- 2.) D → A and
- 3.) A ↔ B
Das redoxaktive Molekül muss entsprechend irreversibel oxidierbar oder reduzierbar sein. In dem ersten Oxidationszustand sind die redoxaktiven Moleküle nicht löslich und können nicht zwischen den Elektroden diffundieren. Nach der irreversiblen Oxidation werden die Moleküle löslich bzw. mobil und können zwischen den Elektroden frei diffundieren. Sie können dann durch Anlegen von Auslesepotentialen reversibel oxidiert und reduziert werden, siehe Schritt 3).The redox-active molecule must accordingly be irreversibly oxidizable or reducible. In the first oxidation state, the redox-active molecules are not soluble and can not diffuse between the electrodes. After irreversible oxidation, the molecules become soluble or mobile and can freely diffuse between the electrodes. They can then be reversibly oxidized and reduced by applying readout potentials, see step 3).
Die Redox-Moleküle sollen zu der nanoporösen dielektrischen Schicht entsprechend passend ausgewählt werden, weil die Löslichkeit von dem Medium, in dem die Substanz gelöst wird, abhängt. Es können auch restliche Oxidations- bzw. Reduktionsströme in dem Zustand „0” vorkommen, die aus den Molekülen, die sich in der unmittelbaren Nähe der Elektroden befinden, resultieren. Sie sollen dann auch einen reversiblen Oxidations- und Reduktionzustand haben, um ausgelesen zu werden (siehe
- 2.b. Multi-level WORM: Der Multi-Level-WORM wird wie für 2.a. bereit gestellt. Beginnend mit einer hohen Konzentration an dem redoxaktiven Molekül im Dielektrikum wird dieses nach und nach durch unterschiedlich hohe Schreibpotentiale zu verschiedenen fortlaufend geringeren Konzentrationen an dem Redox-Molekül umgeschrieben.
- 2 B. Multi-level WORM: The multi-level WORM will work as for 2.a. provided. Starting with a high concentration of the redox-active molecule in the dielectric, this is gradually rewritten by different writing potentials to various continuously lower concentrations of the redox molecule.
Schreibpotentiale werden grundsätzlich über die applizierte Zeit, die Höhe des Schreibpotentials oder des Stroms angelegt um verschiedene Konzentrationen an redoxaktiven Molekülen entstehen zu lassen. Diese Aussage gilt ebenso für RW-Speicherzellen.Writing potentials are generally applied over the applied time, the level of the writing potential or the current in order to give rise to different concentrations of redox-active molecules. This statement also applies to RW memory cells.
Das Maß der Umschreibung ist von diesen Parametern abhängig. Anders als bei binären WORM-Speicherzellen in denen einmal eine Umschreibung erfolgen kann, ist bei der Multi-Level-Kodierung durch Schreibvorgänge eine Vielzahl an Konzentrationen an redoxaktiven Molekülen möglich. Auf diese Weise werden beispielweise insgesamt 16 verschiedene Konzentrationen für die Erzeugung von hexadezimalen Speicherzellen irreversibel umgeschrieben und ausgelesen.The extent of the description depends on these parameters. Unlike binary WORM memory cells in which once can be a paraphrase, is in the multi-level encoding by Write a variety of concentrations of redox-active molecules possible. In this way, for example, a total of 16 different concentrations for the generation of hexadecimal memory cells are irreversibly rewritten and read out.
Es ergeben sich auszugsweise folgende Modi für Auslesen und Speichern gemäß der angegebenen Beispiele in der Tabelle 4b (siehe auch
Es wird also, wie beschrieben, die WORM-Speicherzelle mit einer großen Konzentration an redoxaktivem Molekül hergestellt. Ein erster Schreibvorgang wird durch Anlegen des Schreibpotentials herbeigeführt und schreibt das redoxaktive Molekül irreversibel um bis es eine geringere Konzentration an [A + B] aufweist, hier die diskrete Konzentration 4. Der Schreibvorgang erfolgt entweder durch Oxidation oder Reduktion.Thus, as described, the WORM memory cell is made with a large concentration of redox-active molecule. A first write is initiated by applying the write potential and rewrites the redox-active molecule irreversibly until it has a lower concentration of [A + B], here the discrete concentration 4. The writing is done either by oxidation or reduction.
Es lassen sich vorteilhaft alle Zwischenniveaus durch die Form des Schreibpulses einstellen. Beispielweise lässt sich durch die Variierung der Form und Stärke des Spannungspulses aus dem Wert ”1” nur ein Teil der Redox-Moleküle irreversibel verändern und dadurch eine bestimmte Konzentration erreichen. Eine Besonderheit in diesem Fall ist, dass man die Speicherzelle immer wieder mit dem richtigen Puls in die Richtung einer niedrigeren Konzentration der Redox-Moleküle (weniger ”1”, mehr ”0”) nachschreiben kann, aber nicht in die andere Richtung.Advantageously, all intermediate levels can be adjusted by the shape of the write pulse. For example, by varying the shape and strength of the voltage pulse from the value "1" only a part of the redox molecules can be irreversibly changed and thereby achieve a certain concentration. A peculiarity in this case is that one can rewrite the memory cell again and again with the right pulse in the direction of a lower concentration of the redox molecules (less "1", more "0"), but not in the other direction.
Alternativ hierzu ist der Erstzustand Default ”0” für den Fall, dass man zunächst unlösliche Moleküle benutzt. Das heißt durch weitere Spannungspulse kann man mehr und mehr nicht lösliche Moleküle oxidieren und die Konzentration an löslichen redoxaktiven Molekülen erhöhen, die gemäß der Reaktion A ↔ B mehr ”1” und weniger ”0” Zustände erzeugen.Alternatively, the initial state is default "0" in the case of initially using insoluble molecules. This means that further voltage pulses can be used to oxidize more and more insoluble molecules and to increase the concentration of soluble redox-active molecules which produce more "1" and less "0" states according to the reaction A ↔ B.
RWRW
Es ist möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein RW-Speicherarray, also wieder beschreibbare Speicherzellen, bereit zu stellen.It is possible with the method according to the invention to provide an RW memory array, that is to say rewritable memory cells.
Eine RW-Speicherzelle ist vorteilhaft dadurch gekennzeichnet, dass sie ein nanoporöses Dielektrikum mit einem redoxaktiven Molekül umfasst. In der RW-Speicherzelle finden durch Anlegen von Spannung mindestens zwei reversible Redoxreaktionen statt, mit der das redoxaktive Molekül zwischen mindestens drei Oxidationsstufen wechselt. Nur die Redoxreaktion A ↔ B erzeugt den Zustand 1. An RW memory cell is advantageously characterized in that it comprises a nanoporous dielectric with a redox-active molecule. By applying voltage, at least two reversible redox reactions take place in the RW memory cell, with which the redox-active molecule changes between at least three oxidation states. Only the redox reaction A ↔ B produces
Dieses Speicherarray weist mindestens zwei Speicherzustände mit jeweils dem selben Molekül auf, wobei das Molekül ohne Anlegen von Spannung einen ersten Zustand „0” (nicht redoxaktiv) oder „1” (redoxaktiv) ausbildet und durch Anlegen von Spannung reversibel den zweiten Zustand „1” (redoxaktiv) oder „0” (nicht redoxaktiv) wechseln.
- 3.a. RW-Speicher (binär): Für eine RW-Konfiguration wird an allen Kreuzungspunkten eine dielektrische nanoporöse Schicht mit redoxaktiven Molekülen (Default ”1”) aufgebracht. Das heißt, direkt nach der Herstellung haben alle Zellen einen Wert ”1”.
- 3.a. RW memory (binary): For a RW configuration, a dielectric nanoporous layer with redox-active molecules (default "1") is applied at all crossing points. That is, immediately after production, all cells have a value of "1".
Um aus dem Wert ”1” einen Wert ”0” zu generieren, soll ein Potential zwischen den beiden Elektroden des Kreuzungspunktes angelegt werden, der die Redox-Moleküle reversibel verändert, z. B. durch eine Oxidation bzw. Reduktion in einen zweiten höheren bzw. niedrigeren Oxidationszustand.To generate a value "0" from the value "1", a potential should be applied between the two electrodes of the crossing point, which reversibly changes the redox molecules, eg. B. by oxidation or reduction in a second higher or lower oxidation state.
Mit einem niedrigen Auslesepotential erfolgt keine Redox-Cycling-Reaktion an diesem Kreuzungspunkt mehr, das heißt die Redox-Cycling-Reaktion findet nicht statt, weil die veränderten Moleküle nicht mehr redoxaktiv sind.With a low readout potential no redox cycling reaction takes place at this crossing point, ie the redox cycling reaction does not take place because the altered molecules are no longer redox active.
Um wieder aus dem Wert ”0” einen Wert ”1” zu erzeugen, soll ein umgekehrtes Potential zwischen den beiden Elektroden des Kreuzungspunktes angelegt werden, der die Redox-Moleküle wieder reversibel in den niedrigeren (bzw. höheren) Oxidationszustand zurückversetzt, so dass bei dem Anlegen von einem Auslesepotential des Speicher-Zustands, wieder eine Redox-Cycling-Reaktion gemäß der Redoxreaktion A ↔ B an diesem Kreuzungspunkt stattfindet, siehe
Das redoxaktive Molekül muss entsprechend einen niedrigen reversiblen Oxidations- und Reduktionszustand haben, und zusätzlich auch einen höheren bzw. niedrigeren zweiten reversiblen Oxidations- oder Reduktionszustand.The redox-active molecule must accordingly have a low reversible oxidation and reduction state, and in addition also a higher or lower second reversible oxidation or reduction state.
Derartige Moleküle sind z. B. aromatische Azo-Verbindungen wie Azobenzen, Azotoluen, und so weiter, die in einer Lösung von Dimethylformamid mit Tetra-n-butylammonium perchlorate (TBAP) gelöst sind und erfindungsgemäße RW-Speicherzellen bilden können. Such molecules are z. B. aromatic azo compounds such as azobenzene, azotoluene, and so on, which are dissolved in a solution of dimethylformamide with tetra-n-butylammonium perchlorate (TBAP) and can form RW memory cells according to the invention.
Generell müssen für RW-Speicherzellen folgende Reaktionen stattfinden:
- 1.) A ↔ B und
- 2.) B ↔ C und/oder
- 3.) A ↔ D
- 1.) A ↔ B and
- 2.) B ↔ C and / or
- 3.) A ↔ D
Alternativ wird für eine RW-Konfiguration an allen Kreuzungspunkten eine dielektrische nanoporöse Schicht mit unlöslichen Redox-Molekülen bei der Herstellung im Dielektrikum vorgelegt, welche entsprechend eine kleine Diffusionskonstante aufweisen. Diese Speicherzellen haben also direkt nach ihrer Herstellung einen Default ”0”. Um aus dem Wert ”0” einen Wert ”1” zu erzeugen, soll ein Potential zwischen den beiden Elektroden des Kreuzungspunktes angelegt werden, das die Redox-Moleküle reversibel verändert, so dass sie löslich werden und eine große Diffusionskonstante bekommen.
- 1.) C ↔ B und/oder
- 2.) D ↔ A und
- 3.) A ↔ B
- 1.) C ↔ B and / or
- 2.) D ↔ A and
- 3.) A ↔ B
Dann wird beim Anlegen von einem ”regulär” niedrigen Auslesepotential eine Redox-Cycling-Reaktion an diesem Kreuzungspunkt gemäß Schritt 3) stattfinden und Zustand „1” erzeugen. Im Zustand „0” ist dann die Diffusion der Moleküle so weit eingeschränkt, dass nur eine Halbreaktion der Moleküle in direkter Nähe zur Elektrodenoberfläche, aber kein redox cycling verstärkter Strom stattfinden kann. Damit diese Ströme nicht als „1” erkannt werden, wird ein Signal nur als „1” gelesen, wenn es einen Schwellwert überschreitet.Then, upon application of a "regular" low readout potential, a redox cycling reaction will occur at that crosspoint according to step 3) and generate state "1". In the state "0", the diffusion of the molecules is so limited that only a half-reaction of the molecules in the immediate vicinity of the electrode surface, but no redox cycling amplified current can take place. So that these currents are not recognized as "1", a signal is only read as "1" if it exceeds a threshold.
Um aus dem Wert ”1” wieder einen Wert ”0” zu erzeugen soll ein umgekehrtes Potential zwischen den beiden Elektroden des Kreuzungspunktes angelegt werden, das die Redox-Moleküle wieder reversibel in den niedrigeren (oder höheren) Oxidationszustand zurückversetzt, so dass die Moleküle wieder unlöslich und damit nicht mobil im Dielektrikum werden und beim Anlegen von einem ”normalen” niedrigen Auslesepotential des Speicher-Zustands, wiederum keine Redox-Cycling-Reaktion an diesem Kreuzungspunkt mehr stattfinden kann. Die Redox-Moleküle für RW-Speicherzellen müssen entsprechend reversibel oxidierbar sein. In dem ersten Oxidationszustand sind die Redox-Moleküle nicht lösbar und können nicht zwischen den Elektroden diffundieren. Sie sollen dann auch einen höheren zweiten reversiblen Oxidations- oder Reduktionszustand haben, um ausgelesen zu werden. Beispielweise kann hierzu Ferrocen- (nicht löslich in Wasser) und deren Derivative wie Ferrocenmethanol (löslich in Wasser) verwendet werden, die reversibel aus einem Zustand in den überführt werden können.
- 3.b. Multi-level RW: Dieses Speicherarray wird wie in 3.a. gezeigt bereit gestellt, aber mit mehreren Konzentrationen von Redox-Molekülen, z. B. mit bis zu 16 verschiedenen Konzentrationen für die Erzeugung von hexadezimalen Speicherzellen. Die verschiedenen Konzentrationen an redoxaktiven Molekülen werden wie bei der WORM-Speicherzelle durch Schreiben erzeugt. Bei der Herstellung wird das Dielektrikum mit höchster Konzentration an redoxaktiven Molekülen bereitgestellt.
- 3.b. Multi-level RW: This storage array will work as described in 3.a. shown but with multiple concentrations of redox molecules, e.g. With up to 16 different concentrations for the generation of hexadecimal storage cells. The various concentrations of redox-active molecules are generated by writing as in the WORM memory cell. During production, the dielectric is provided with the highest concentration of redox-active molecules.
Folgende Auslese- und Schreibmodi sind möglich, siehe die auszugsweise gezeigten Beispiele in der Tabelle 5b und die
Es wird also beispielweise die RW-Speicherzelle mit einer großen Konzentration an redoxaktivem Molekül im Dielektrikum hergestellt. Ein erster Schreibvorgang wird durch Anlegen des Schreibpotentials herbeigeführt und schreibt das redoxaktive Molekül reversibel um, bis es eine geringere Konzentration an [A + B] aufweist, hier die diskrete Konzentration 3. Der erste Schreibvorgang erfolgt entweder durch Oxidation oder Reduktion.Thus, for example, the RW memory cell is produced with a large concentration of redox-active molecule in the dielectric. A first write is accomplished by applying the write potential and reversibly rewrites the redox-active molecule until it has a lower concentration of [A + B], here the
Man kann die Zwischenniveaus durch die Form des Schreibpulses einstellen. Beispielweise kann durch die Variierung der Form und der Stärke des Spannungspulses aus dem Wert ”1” nur ein Teil der Redox-Moleküle reversibel verändert werden und dadurch eine bestimmte Konzentration erreichen, das heißt die Konzentration der auslesbaren Redox-Moleküle wird verringert.You can set the intermediate levels by the shape of the write pulse. For example, by varying the shape and the magnitude of the voltage pulse from the value "1" only a part of the redox molecules can be reversibly changed and thereby achieve a certain concentration, that is, the concentration of the readable redox molecules is reduced.
Danach kann man mit einem passenden Puls die veränderten, nicht auslesbaren Redox-Moleküle wieder zu dem ursprünglichen Zustand, oder in einen anderen Zwischenzustand hier der diskreten Konzentration mit Wert 11 reversibel verändern und die Konzentration der auslesbaren Redox-Moleküle wieder erhöhen.Then, with a suitable pulse, the altered, non-readable redox molecules can be reversibly changed back to the original state, or into another intermediate state here of the discrete concentration with a value of 11, and the concentration of the redox molecules readable can be increased again.
Es versteht sich, dass die für die ROM-Speicherzellen, WORM-Speicherzellen und RW-Speicherzellen nur schematisch angegebenen Moleküle A und B, sowie gegebenenfalls auch C und D tatsächlich unterschiedlich sein müssen, um die oben beschriebenen Voraussetzungen zu erfüllen. Es gibt also tatsächlich AROM, BROM, AWORM, BWORM, CWORM, DWORM, ARW, BRW, CRW, DRW.It is understood that the molecules A and B, which are only schematically indicated for the ROM memory cells, WORM memory cells and RW memory cells, as well as, if appropriate, also C and D, must actually be different in order to fulfill the prerequisites described above. So, there is actually A ROM , B ROM , A WORM , B WORM , C WORM , D WORM , A RW , B RW , C RW , D RW .
Die Speicherzellen ROM, WORM und RW unterscheiden sich also durch chemisch verschiedene redoxaktive Moleküle bzw. Oxidationszustände AROM, BROM, AWORM, BWORM, CWORM, DWORM, ARW, BRW, CRW, DRW, wobei die zyklische Reaktion zur Generierung von Strom oberhalb des Schwellwerts und damit Speicherzustand
Die Speicherzellen WORM und RW unterscheiden sich also ebenfalls durch chemisch verschiedene mittels Schreibpotential erzeugbare Moleküle C und D.The memory cells WORM and RW thus likewise differ by chemically different molecules C and D which can be generated by writing potential.
Die erfindungsgemäßen Speicherarrays) werden als nicht volatile Speicher zum Erzeugen von bits und bytes auf binärer oder hexadezimaler Basis oder jeder anderen Basis verwendet.The memory arrays of the present invention are used as non-volatile memory for generating bits and bytes on a binary or hexadecimal basis or any other basis.
Auch die Tinte zur Herstellung eines derartigen Speichers löst bereits die Aufgabe der Erfindung. Die Tinte umfasst hierzu die Precursor einer Sol-Gel-Reaktion oder für Hydrogele und die redoxaktiven Moleküle, die durch Trocknen, bzw. Aushärten der Tinte auf der Leiterbahn zwischen den Elektroden diffundieren können, entweder sofort als Default „1” oder nach Anlegen eines Spannungspulses, der die Moleküle im Dielektrikum löslich werden lässt (Default „0”).The ink for producing such a memory already achieves the object of the invention. For this purpose, the ink comprises the precursors of a sol-gel reaction or hydrogels and the redox-active molecules, which can diffuse between the electrodes by drying or hardening of the ink, either immediately as default "1" or after application of a voltage pulse , which makes the molecules soluble in the dielectric (default "0").
Als Tinten kann jede flüssige Zusammensetzung, die insbesondere mit einem Druckverfahren angeordnet werden kann, verwendet werden, die nach der Deposition eine dielektrische Schicht, vorzugsweise mit redoxaktiven Molekülen, und welche die Diffusion der redoxaktiven Moleküle ermöglicht. Die Diffusion verläuft durch die Nanoporen des nanoporösen Dielektrikums. Die Porengröße soll hierzu größer als die Molekülgröße redoxaktiver Moleküle sein. Bei den üblichen Größen der redoxaktiven Moleküle von etwa 1–5 nm, soll die Porengröße z. B. mindestens 2–10 nm oder mehr betragen (Faktor 2). Falls die dielektrische Schicht eine feste aber quasi-flüssige Phase aufweist wie beim Hydrogel, verläuft die Diffusion direkt durch diese Phase.As inks, any liquid composition which can be arranged in particular by a printing process can be used, which after deposition allows a dielectric layer, preferably with redox-active molecules, and which allows the diffusion of the redox-active molecules. The diffusion passes through the nanopores of the nanoporous dielectric. For this purpose, the pore size should be greater than the molecular size of redox-active molecules. In the usual sizes of the redox-active molecules of about 1-5 nm, the pore size z. B. at least 2-10 nm or more (factor 2). If the dielectric layer has a solid but quasi-liquid phase as in the case of the hydrogel, the diffusion proceeds directly through this phase.
Unabhängig von dem physikalischen Wirkprinzip, soll die Diffusionskonstante der redoxaktiven Moleküle bei Diffusion durch die Poren möglichst ähnlich sein zu der Diffusionskonstante in der flüssigen Phase ohne Poren und mindestens 1% hiervon oder besser betragen, z. B. mindestens 5%, 10%, 15%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% oder sogar 100%. Regardless of the physical mode of action, the diffusion constant of the redox-active molecules in diffusion through the pores should be as similar as possible to the diffusion constant in the liquid phase without pores and at least 1% thereof or better, for. At least 5%, 10%, 15%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% or even 100%.
Nach der erfindungsgemäßen Definition für die redoxaktiven Moleküle handelt es sich bei diesen nicht um Enzyme.According to the definition according to the invention for the redox-active molecules, these are not enzymes.
Die Tinte soll einen Festanteil haben, damit die Schichtdicke der dielektrischen Schicht nach dem Drucken und Trocknen etwa 50–1000 nm, am besten 100–300 nm aufweist.The ink should have a solids content so that the layer thickness of the dielectric layer after printing and drying is about 50-1000 nm, most preferably 100-300 nm.
Vorzugsweise werden die nanoporösen Dielektrika zwischen den Elektroden mit den angegebenen Bestandteilen nach dem Druck auf die erste Leiterbahn hergestellt. Hierzu umfasst die Tinte vorteilhaft die Ausgangsbestandteile für eine Sol-Gel-Reaktion, z. B. Tetramethylorthosilicat, Tetraethoxysilan und so weiter). Im ersten Schritt erfolgt die Hydrolyse in Wasser und Alkohol und sodann in einem weiteren Schritt die Kondensation zur Sol-Gel-Matrix mit Restflüssigkeit.Preferably, the nanoporous dielectrics are produced between the electrodes with the specified components after printing on the first conductor track. For this purpose, the ink advantageously comprises the starting components for a sol-gel reaction, for. Tetramethylorthosilicate, tetraethoxysilane and so on). In the first step, the hydrolysis in water and alcohol and then in a further step, the condensation to the sol-gel matrix with residual liquid.
Die Tinte weist hierfür vorzugsweise ein Lösemittel mit niedrigem Dampfdruck und entsprechend hohem Siedepunkt auf.For this purpose, the ink preferably has a solvent with a low vapor pressure and a correspondingly high boiling point.
Ausführungsbeispieleembodiments
Im Weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren näher erläutert, ohne dass es hierdurch zu einer Beschränkung der Erfindung kommen soll.In addition, the invention will be explained in more detail with reference to embodiments and the accompanying figures, without this being intended to limit the invention.
Es zeigen:Show it:
a) ROM; b) WORM und c) RW.
a) ROM; b) WORM and c) RW.
a) ROM binär. b) WORM/RW binär. c) Multi-level ROM/WORM/RW
a) ROM binary. b) WORM / RW binary. c) Multi-level ROM / WORM / RW
Ausführungsbeispiel 1:
25-Bit (binär) gedrucktes Redox-Cycling-basiertes elektrochemisches ROM-Speichermodul (
- 1. Goldtinte wird als Material für die erste Leiterbahn
2 bzw. für die untere Elektrode benutzt. Die leitenden Strukturen2 , dargestellt durch insgesamt fünf Linien (100 μm breit, 100 μm Abstand zwischen den Leiterbahnen) aus der Goldtinte werden auf einem PEN(Polyethylennaphthalat)-Substrat 1 mit einem Tintenstrahldrucker gedruckt und danach bei 125°C für 1 Stunde gesintert. - 2. Zwei Sol-Gel-Tinten werden vorbereitet:
a. Ohne Redox-Moleküle: TMOS (Tetramethylorthosilicat) wird 1:1:1 (Gewichtsanteile) mit deionisiertem Wasser und Glyzerol in einer 100 mL Flasche gemischt und eine Stunde lang mit einem magnetischen Rührer auf einer Magnetplatte bei Raumtemperatur gerührt. Danach wird 100 mM-Lösung der Salzsäure im 500:1 (Sol-Gel:Säure, Gewichtsanteile) für den Start der Kondensationsreaktion dazu gegeben.
b. Mit Redox-Moleküle:
Eine 1 mM-Lösung einer Mischung Redox-Moleküle Hexacyanoferrat (II)/Hexacyanoferrat (III) (Normalpotential +200 mV gegen Kalomelelektrode SCE) wird im deionisiertem Wasser vorbereitet. TMOS wird 1:1:1 (Gewichtsanteile) mit der Ferrocendimethanollösung und Glyzerol in einer 100 mL Flasche gemischt und eine Stunde lang mit magnetischem Rührer auf einer Magnetplatte bei Raumtemperatur gerührt. Danach wird 100 mM-Lösung der Salzsäure im 500:1 (Sol-Gel:Säure, Gewichtsanteile) für den Start der Kondensationsreaktion dazu gegeben. Bei Bedarf wird eine 10–100 mM Salzlösung (z. B. NaCl) dazu gegeben, um die elektrische Leitfähigkeit der Schicht und Elektronentransfer zu verbessern. - 3. Die Sol-Gel-Tinten werden auf den zukünftigen Kreuzungspunkten gedruckt. An Stellen, an denen ein Zustand ”1” (
3b ) ausgelesen werden soll, wird die Tinte mit den Redox-Molekülen fürdas nanoporöse Dielektrikum 3a gedruckt, dargestellt durch die dunklen Kreise im linken Teil der3b . An den Stellen, an denen der Zustand ”0” ausgelesen werden soll, wird die Tinte ohne Redox-Moleküle gedruckt fürdas nanoporöse Dielektrikum 3b , dargestellt durch die nicht ausgefüllten Kreise. - 4. Nach dem Drucken der nanoporösen Dielektrika
3a ,3b wird die gedruckte Tinte bei Raumtemperatur für eine Stunde ausgehärtet, so dass die gedruckten Dielektrika noch Rest-Flüssigkeit enthalten. Entsprechend bildet sich das punktförmige nanoporöse Dielektrikum mit (Bezugszeichen 3a ) und ohne (Bezugszeichen 3b ) ein redoxaktives Molekül. - 5. Karbontinte aus 300–400 nm großen Kohlenstoffnanopartikeln wird als Material für die zweite Leiterbahn
4 bzw. die obere Elektrode benutzt. Diese Tinte wird orthogonal zu den ersten Leiterbahnen2 über die nanoporösen Dielektrika gedruckt um die ”cross-bar”-Struktur (Matrix) und die Kontaktstellen zu formen. Insgesamt sind wie für die Leiterbahn2 wiederum fünf Leiterbahnen bzw. Elektroden4 gezeigt. Die Tinte wird nach dem Druck bei 125°C für 1 Stunde gesintert. - 6.
Als Passivierungsschicht 5 wird eine Schicht aus Polyimid großflächig aufgebracht, z. B. gedruckt, so dass nur die Kontaktstellen am Ende der Elektroden offen bzw. kontaktierbar bleiben, wie inder 3 im linken Teil gezeigt. - 7. Um den Speicher auszulesen, werden alle Elektroden gleichzeitig oder eine nach der anderen (durch einen Schalter) kontaktiert. Bei jedem Kreuzungspunkt wird auf der unteren Elektrode ein
Potential von 0 mV gegen Masse angelegt, während auf der oberen Elektrode ein Potential von +300 mV gegen Masse angelegt wird. Die Referenzelektrode entfällt in diesem Design und der Strom wird ohne Referenzelektrode gegen Masse gemessen. Wenn der ausgelesene Strom einen bestimmten Stromwert (abhängig von dem Zellendesign und der Konzentration der Redox-Moleküle, für diese Beispiel ca. 40 pA) nach einer bestimmten Zeit (abhängig vom Zellendesign, für dieses Beispiel ca. 3 ms) überschreitet, wird diese Zelle als Zustand ”1” identifiziert. Wenn nicht, wird sie als Zustand ”0” identifiziert.
- 1. Gold ink is used as material for the first trace
2 or used for the lower electrode. The conductive structures2 , represented by a total of five lines (100 microns wide, 100 microns distance between the tracks) from the gold ink on a PEN (polyethylene naphthalate)substrate 1 printed with an ink jet printer and then sintered at 125 ° C for 1 hour. - 2. Prepare two sol-gel inks: a. Without Redox Molecules: TMOS (tetramethyl orthosilicate) is mixed 1: 1: 1 (parts by weight) with deionized water and glycerol in a 100 mL bottle and stirred for one hour on a magnetic disk at room temperature with a magnetic stirrer. Thereafter, 100 mM solution of hydrochloric acid in 500: 1 (sol-gel: acid, parts by weight) is added for the start of the condensation reaction. b. With redox molecules: A 1 mM solution of a mixture of redox molecules hexacyanoferrate (II) / hexacyanoferrate (III) (normal potential +200 mV against calomel electrode SCE) is prepared in deionized water. TMOS is mixed 1: 1: 1 (parts by weight) with the ferrocene dimethanol solution and glycerol in a 100-mL bottle and stirred for one hour with a magnetic stirrer on a magnetic disk at room temperature. Thereafter, 100 mM solution of hydrochloric acid in 500: 1 (sol-gel: acid, parts by weight) is added for the start of the condensation reaction. If necessary, a 10-100 mM saline solution (eg NaCl) is added to improve the electrical conductivity of the layer and electron transfer.
- 3. The sol-gel inks will be printed on the future crossing points. In places where a state "1" (
3b ) is to be read, the ink with the redox molecules for thenanoporous dielectric 3a printed, represented by the dark circles in the left part of the3b , At the points where the state "0" is to be read, the ink is printed without redox molecules for thenanoporous dielectric 3b represented by the unfilled circles. - 4. After printing the
nanoporous dielectrics 3a .3b For example, the printed ink is cured at room temperature for one hour so that the printed dielectrics still contain residual liquid. Accordingly, the point-shaped nanoporous dielectric forms with (reference numerals 3a ) and without (reference number 3b ) a redox-active molecule. - 5. Carbon ink from 300-400 nm sized carbon nanoparticles is used as material for the second trace
4 or the upper electrode used. This ink becomes orthogonal to the first traces2 printed over the nanoporous dielectrics to form the cross-bar structure (matrix) and the contact points. Overall, as for the track2 again five tracks or electrodes4 shown. The ink is sintered after printing at 125 ° C for 1 hour. - 6. As a passivation layer
5 a layer of polyimide is applied over a large area, for. B., so that only the contact points at the end of the electrodes remain open or contactable, as in the3 shown in the left part. - 7. To read the memory, all electrodes are contacted simultaneously or one at a time (through a switch). At each crossing point, a potential of 0 mV to ground is applied to the lower electrode while a potential of +300 mV to ground is applied to the upper electrode. The reference electrode is omitted in this design and the current is measured without reference electrode to ground. If the read-out current exceeds a certain current value (depending on the cell design and the concentration of the redox molecules, for this example about 40 pA) after a certain time (depending on the cell design, for this example about 3 ms), this cell becomes identified as state "1". If not, it is identified as state "0".
Ausführungsbeispiel 2:Embodiment 2:
Ein 25-Bit (HEX) gedrucktes Redox-cycling-basiertes elektrochemisches ROM-Speichermodul (
Die Schritte 1 bis 6 entsprechen denen des Ausführungsbeispiels 1. Es werden aber bis zu 16 verschiedene Tinten mit bis zu 16 verschiedenen Konzentrationen an Redox-Molekülen bereitgestellt. Es werden auf diese Weise 16 Tinten mit 16 Konzentrationen von z. B. 0 μM, 1 μM, 5 μM, 10 μM, 25 μM, 50 μM, 100 μM, 200 μM, 300 μM, 400 μM, 500 μM, 600 μM, 700 μM, 800 μM, 900 μM, 1000 μM) der Redox-Moleküle Hexacyanoferrat (II)/Hexacyanoferrat (III) vorbereitet. Die Konzentrationen sind in der
Diese Tinten werden durch mehrere Druckköpfe bzw. Düsen in die Kreuzungspunkte des Speicher-Arrays als dielektrische nanoporöse Schicht
- 7. Um den Speicher auszulesen, werden alle Elektroden gleichzeitig oder eine nach der anderen (durch einen Schalter) kontaktiert. Bei jedem Kreuzungspunkt wird auf der unteren Elektrode
2 ein Potential von –300 mV gegen Masse angelegt, während auf der oberen Elektrode4 ein Potential von +300 mV gegen Masse angelegt wird. Die Referenzelektrode entfällt in diesem Design und der Strom wird ohne Referenzelektrode gegen Masse gemessen. Der ausgelesene Strom nach einer bestimmten Zeit (abhängig von dem Zellendesign, für dieses Beispiel ca. 3 ms) wird zu einer bestimmten Konzentration (aus 16 vorkalibrierten Stromwerten insgesamt, siehe auch die4 ) zugeordnet um den Speicherzustand der Zelle auszulesen. Es sind dann Zustände zwischen ”0” und ”F” (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F) möglich.
- 7. To read the memory, all electrodes are contacted simultaneously or one at a time (through a switch). At each crossing point is on the lower electrode
2 a potential of -300 mV is applied to ground while on the top electrode4 a potential of +300 mV is applied to ground. The reference electrode is omitted in this design and the current is measured without reference electrode to ground. The read current after a certain time (depending on the cell design, for this example about 3 ms) becomes a certain concentration (from 16 pre-calibrated current values in total, see also the4 ) to read the memory state of the cell. Then states between "0" and "F" (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F) are possible.
Beispielhaft ist in der
Ausführungsbeispiel 3:
Ein 25-Bit (binär) gedruckter redox-cycling-basierter elektrochemischer WORM-Speichermodul (
Schritte 1–7 entsprechen denen aus dem Ausführungsbeispiel 1. Die Unterschiede liegen in den Schritten 2 und 3, und es erfolgt noch ein Schritt 6*:
- 1.
Wie Ausführungsbeispiel 1, aber Schritt 2a entfällt. Jedes nanoporöse Dielektrikum enthält also Tinte mit redoxaktiven Molekülen. In Schritt 2b wird Heptylviologenbromid mit einem Normalpotential der ersten reversiblen Reduktionsreaktion von –300 mV und einem Normalpotential der zweiten irreversiblen Reduktionsreaktion von –700 mV anstatt Hexacyanoferrat (II)/Hexacyanoferrat (III) Mischung verwendet. 2. Diese Sol-Gel-Tinte wird auf allen zukünftigen Kreuzungspunkten gedruckt um den Default „1” zu bilden (Schritt 3.).
- 1. As
Embodiment 1, but step 2a is omitted. Each nanoporous dielectric thus contains ink with redox-active molecules. In step 2b, heptylviologen bromide having a normal potential of the first reversible reduction reaction of -300 mV and a normal potential of the second irreversible reduction reaction of -700 mV instead of hexacyanoferrate (II) / hexacyanoferrate (III) mixture is used. 2. This sol-gel ink will be printed on all future crossing points to form the default "1" (step 3.).
Vor dem Schritt 7 erfolgt kann gegebenenfalls ein irreversibler Schreibschritt erfolgen:
- 6*. Um aus dem Zustand „1” Zustand „0” an einigen bestimmten Kreuzungspunkten (Speicherzellen aus dem Array) zu erzeugen, wird zwischen der oberen und unteren Elektrode an diesen Kreuzungspunkten ein Reduktionspotential von –1 V
für 1 Sekunde angelegt. Das angelegte Potential reicht aus, um die irreversible Reaktion A → D zu treiben. Danach sind die Moleküle in dem Bereich von Auslesepotentialen im Sinne der Redoxreaktion A ↔ B nicht mehr redoxaktiv. Stattdessen liegen die redoxaktiven Moleküle in der inaktiven reduzierten Form D vor. - 7. Wie in
Ausführungsbeispiel 1.
- 6 *. In order to generate state "0" from the state "1" at some specific crossing points (memory cells from the array), a reduction potential of -1 V is applied for 1 second between the upper and lower electrodes at these crossing points. The applied potential is sufficient to drive the irreversible reaction A → D. Thereafter, the molecules in the range of readout potentials in the sense of the redox reaction A ↔ B no longer redoxaktiv. Instead, the redox-active molecules are present in the inactive reduced form D.
- 7. As in
embodiment 1.
Ausführungsbeispiel 4:Embodiment 4
Ein 25-Bit (binär) gedrucktes Redox-cycling-basiertes elektrochemisches RW-Speichermodul (
Die Schritte 1 und 3–5 sowie 7 entsprechen denen aus dem Ausführungsbeispiel 3. Der Unterschied liegt in den Schritten 2 und 6*, hinzu kommt noch ein Schritt 8:
- 2. An Stelle von Heptylviologenbromid wird Azotoluen der ersten reversiblen Oxidationsreaktion von +300 mV und einem Normalpotential der zweiten reversiblen Reduktionsreaktion von +700 mV verwendet. Nach dem Aufbringen der Tinte mit dem redoxaktiven Molekül weisen alle Speicherzellen den Default „1” auf.
- 6*. Um aus dem Zustand „1” einen Zustand „0” an bestimmten Kreuzungspunkten bzw. Speicherzellen aus dem Array zu erzeugen, wird zwischen den oberen und den unteren Elektroden an diesen Kreuzungspunkten ein Oxidationspotential von +1,5
V für 1 Sekunde angelegt. Danach sind die Moleküle in dem Bereich vom Auslesepotential der Redoxreaktion A ↔ B nicht mehr redoxaktiv, da Molekül C erzeugt wurde. Es kann alternativ auch das Molekül D durch ein entsprechendes Reduktionspotential von –1,5 V erzeugt werden. - 8. Um aus dem geschriebenen Zustand „0”, wieder den Zustand „1” an bestimmten Kreuzungspunkten zu erhalten, wird zwischen den oberen und den unteren Elektroden an diesen Kreuzungspunkt ein umgekehrtes Reduktionspotential (bzw. Oxidationspotential) von –1,5
V für 1 Sekunde angelegt. Danach werden die Moleküle in dem Bereich von Auslesepotentialen der Redoxreaktion A ↔ B wieder redoxaktiv.
- 2. In place of heptylviologen bromide azotoluene of the first reversible oxidation reaction of +300 mV and a normal potential of the second reversible reduction reaction of +700 mV is used. After the application of the ink with the redox-active molecule, all memory cells have the default "1".
- 6 *. In order to generate a state "0" from the state "1" at certain crossing points or memory cells from the array, an oxidation potential of +1.5 V is applied for 1 second between the upper and the lower electrodes at these crossing points. Thereafter, the molecules are no longer redox active in the region of the readout potential of the redox reaction A ↔ B, since molecule C was generated. Alternatively, the molecule D can also be generated by a corresponding reduction potential of -1.5 V.
- 8. In order to obtain the state "1" again from the written state "0" at certain points of intersection, a reversed reduction potential (or oxidation potential) of -1.5 V for 1. Is obtained between the upper and the lower electrodes at this intersection point Second created. Thereafter, the molecules in the range of readout potentials of the redox reaction A ↔ B again redoxaktiv.
Ausführungsbeispiel 5: Embodiment 5:
Ein 25-Bit (hexadezimales) gedrucktes Redox-cycling-basiertes elektrochemisches RW-Speichermodul wird hergestellt.A 25-bit (hexadecimal) printed redox cycling based electrochemical RW memory module is manufactured.
Die Vorgehensweise entspricht Ausführungsbeispiel 2, Schritte 1–6. Einen Unterschied gibt es nur bei den redoxaktiven Molekülen in Schritt 2. Die hier verwendeten Moleküle entsprechen denen aus Schritt 2. im Ausführungsbeispiel 4 (RW Binär Speicher). Um Den Speicher zu schreiben (Schritt 7) wird für einen definierten kurzen Zeitraum ein Schreibpotential angelegt, z. B. für 100 mS. Zum Verringern des gespeicherten Zustandes wird ein Oxidationspotential angelegt, sodass ein Teil der Partikel in einen reversiblen, höheren Oxidationszustand überführt wird (B → C). Zum Erhöhen des gespeicherten Zustandes wird ein reduzierendes Potential angelegt, sodass ein Teil der Partikel aus dem höheren in den niedrigeren Zustand überführt wird (C → B) und wieder für das Redox-Cycling zur Verfügung steht. Dieser Prozess kann auch in Richtung einer zweiten Reduktion erfolgen. Die Potentiale werden hierfür genau umgekehrt angelegt. Das Auslesen erfolgt dann analog zu Schritt 7, Ausführungsbeispiel 2.The procedure corresponds to embodiment 2, steps 1-6. There is a difference only in the redox-active molecules in step 2. The molecules used here correspond to those from step 2. in the embodiment 4 (RW binary memory). To write the memory (step 7) a writing potential is created for a defined short period of time, e.g. For 100 mS. To reduce the stored state, an oxidation potential is applied, so that a part of the particles is converted into a reversible, higher oxidation state (B → C). To increase the stored state, a reducing potential is applied, so that a part of the particles is transferred from the higher to the lower state (C → B) and is available again for the redox cycling. This process can also be done in the direction of a second reduction. The potentials are created exactly the opposite. The readout then takes place analogously to step 7, exemplary embodiment 2.
Weitere Ausführungsbeispiele:Further embodiments:
Weitere Ausführungsbeispiele betreffen die Herstellung und Verwendung derartiger Speicherzellen für die Lebensmittelindustrie. Die in den Ausführungsbeispielen, und insbesondere in den Ausführungsbeispielen 1 und 2 offenbarten ROM-Speicherzellen sind insbesondere geeignet für die Herstellung von gedruckten Speicherzellen auf Umverpackungen in der Lebensmittelindustrie. Der Grund liegt darin, dass die Redox-Moleküle, wie beispielweise das Hexacyanoferrat (II)/Hexacyanoferrat (III) weitgehend lebensmittelunbedenklich sind, insbesondere dann, wenn sie auf der Oberfläche der die Lebensmittel enthaltenden Kartonagen oder anderer Umverpackungen angeordnet sind.Further embodiments relate to the production and use of such storage cells for the food industry. The ROM memory cells disclosed in the exemplary embodiments, and in particular in the
Derartige ROM-Speicherzellen können dann genutzt werden, um Informationen über die Lebensmittel, wie das Herstellungsdatum, das Ablaufdatum, das Abfülldatum der Lebensmittel und weitere relevanten Parameter wie z. B. Herkunft der Lebensmittel oder Transportwege usw. während der Herstellung abzuspeichern und auf einfache Weise auch wieder auszulesen.Such ROM memory cells can then be used to provide information about the food, such as the date of manufacture, the expiration date, the date of filling of the food and other relevant parameters such. B. origin of the food or transport routes, etc. store during manufacture and read in a simple way again.
Es ist denkbar, für das Auslesen auch ohne elektronische Zuleitungen die notwendige Spannung an die Speicherzelle anzulegen und die entsprechenden Parameter wieder auszulesen, z. B. über Radiowellen, wie bei einem RFID-Tag.It is conceivable to apply the necessary voltage to the memory cell for reading even without electronic leads and read out the corresponding parameters again, for. B. over radio waves, as in an RFID tag.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann hierzu ausgeführt werden, indem als nicht leitendes Substrat ein Bestandteil einer solchen Kartonage bereit gestellt wird.The method according to the invention can be carried out for this purpose by providing a component of such a cardboard as non-conductive substrate.
Die erfindungsgemäße Verwendung der Speicherzellen betrifft dann das zusätzliche Merkmal, wonach diese Speicherzelle auf einer Umverpackung aus der Lebensmittelindustrie angeordnet wird. Die Speicherzelle könnte auch auf der Verpackung aufgeklebt sein.The inventive use of the memory cells then relates to the additional feature, according to which this memory cell is arranged on an outer packaging from the food industry. The memory cell could also be glued to the packaging.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Ilia Valov, Rainer Waser, John R. Jameson and Michael N Kozicki, 2011. Electrochemical metallization memories: fundamentals, applications, prospects. Nanotechnology 22, 254003 (22pp) doi:10.1088/0957-4484/22/25/254003 [0017] Ilia Valov, Rainer Waser, John R. Jameson, and Michael N Kozicki, 2011. Electrochemical metallization memories: fundamentals, applications, prospects. Nanotechnology 22, 254003 (22pp) doi: 10.1088 / 0957-4484 / 22/25/254003 [0017]
- Buckley, AM, Greenblatt, M. 1994. Journal of Chemical Education. Volume 71, No. 7, 599–602 [0063] Buckley, AM, Greenblatt, M. 1994. Journal of Chemical Education. Volume 71, no. 7, 599-602 [0063]
- Buckley, AM, Greenblatt, M. 1994. Jouranl of chemical education. Volume 71, No. 7, 599–602 [0077] Buckley, AM, Greenblatt, M. 1994. Jouranl of chemical education. Volume 71, no. 7, 599-602 [0077]
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EP17723248.5A EP3433883B1 (en) | 2016-03-23 | 2017-03-08 | Method for fabrication of a memory, memory, and the use of the said memory |
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- 2016-04-01 DE DE102016003770.9A patent/DE102016003770A1/en not_active Withdrawn
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US10694872B2 (en) | 2018-09-19 | 2020-06-30 | Sensormatic Electronics, LLC | Point of sale artificial intelligence quality determination system |
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