DE2314193A1

DE2314193A1 - Speicheranordnung mit einem film organischen materials

Info

Publication number: DE2314193A1
Application number: DE19732314193
Authority: DE
Inventors: Arieh Aviram; Philip Edward Seiden
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-06-01
Filing date: 1973-03-22
Publication date: 1973-12-20
Also published as: FR2186701A1; CA1019445A; IT987135B; FR2186701B1; JPS4951835A; GB1408837A

Description

Böblingen, 13. März 1973

bu-fr 23 U193

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 971 057

Speicheranordnung mit einem Film organischen Materials

Die Erfindung betrifft eine Speicheranordnung mit einem Film organischen Materials als Speichermedium, bei dem Molekülbindungen für die Speicherfunktion ausgenutzt werden.

Im USA-Patent Nr. 3 119 099 ist eine Molekularspeichereinrichtung unter Ausnutzung organischer Verbindungen gezeigt, die durch Anwenden kombinierter Einwirkungen eines elektrischen Wechselfeldes und eines Magnetfeldes einer molekularen Umordnung unterliegen. Wird bei Betrieb in Kombination ein elektrisches und ein magnetisches Feld angelegt, dann verschiebt ein Atom oder eine Gruppe von Atomen, die eine Verzweigungskette bilden, seine bzw. ihre Lage im Raum bezüglich einer Bezugsachse des Moleküls., Das Atom oder die Atomgruppe dreht sich als Einheit um einen Rotationswinkel in Abhängigkeit eines benachbarten elektrostatischen Atomfeldes. Die elektrostatischen Atombindungen werden nicht aufgebrochen, obgleich die inneratomoren Abstände sich etwas ändern können. Solcher Art gedrehte Atome stellen einen bestimmten Speicherzustand dar.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Speicheranordnung dieser Art bereitzustellen, die sich in einfacher Weise realisieren und betreiben läßt.

309851/075S

— O _

23U193

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die organische Substanz zumindest einen ersten Potentialtopf und zumindest einen zweiten Potentialtopf in seiner Potentialkurve aufweist, wobei der Abstand von Potentialminimum zu Potentialminirnum mindestens 45 A beträgt, daß beide Oberflächen des organischen Films mit jeweils parallelen elektrischen Leitungszügen überzogen sina, wobei sich die Leitungszüge der einen Filmoberfläche mit denen der anderen Filmoberfläche kreuzen, und daß Abfühlmittel zur Anzeige von Elektronentunnelung vorgesehen sind. Vvirc an eine solche Speicheranordnung über ein ausgewähltes Paar sich orthogonal kreuzender Leitungszüge eine geeignete Spannung angelegt, dann werden Elektronen, die sich in einem der Potentialtöpfe der oben beschriebenen Potentialkurve befinaen, veranlaßt, in den jeweiligen anderen Potentialtopf zu tunneln, um hiermit einen vorgegebenen Speicherzustand darzustellen, der sich entsprechend anzeigen läßt. Die gespeicherte Information wird gelöscht, indem die Polarität der angelegten Spannung umgekehrt wird. Das Tunneln der Elektronen von einem Potentialtopf zum anderen wird also in einfacher Weise durch Anlegen einer geeigneten Spannung herbeigeführt. Ein zur Anzeige der Elektronentunnelung dienender Detektor braucht also lediglich den daraus jeweils resultierenden Stromimpuls festzustellen und anzuzeigen.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die als Speichermedium vorgesehene organische Substanz einen Abstand der Potentialminiraa voneinander von etwa 45 bis etwa 100 A aufweist. Als vorteilhaft hierfür hat sich eine Substanz aus der Gruppe der Verbindungen mit folgenden Strukturen gezeigt:

30985 1 /CH58

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23H193

Fe

Me ν® Fe

67

Me-

= CH-(CH =

CH)-N

'm XH-(CH=CH)_n-N^ β Fe

Me

H₂I_n,

ΗΝ)= CH-(CH ^CH)_n ΗΝ) = CH-(CH = CH)_n-

YO 971 057

309851 /0758

23H193

Als Alternative läßt sich in vorteilhafter Weise auch eine organische Verbindung nachstehender Struktur anwenden:

CH~(CH»CH)_n

Schließlich ist eine Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zum zerstörungsfreien Auslesen die organische Substanz eine Potentialkurve besitzt, deren zweites Potentialminimura, d.h. bei größerem Kernabstand einer höheren potentiellen Energie entspricht als die des ersten, also bei kleinerem Kernabstand. Eine solche organische Verbindung ergibt sich vorteilhaft aus der Gruppe der Verbindungen mit folgenden Strukturen:

309851/0758

HN)-CH-(CH. CH)_n Hl/~~\-CH-(CH » CH)_n

^[CH"^CH)*Ok

Fe

-(CH₂J_n-

I I

CH ■ CH)

5 Fe

,θ

CH-(CH- CH)_n-

er

JO

Fe
"ο"

Me N »CH-(CH-CH)_n-N

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309851 /0758

23H193

In vorteilhafter Abwandlung oben beschriebener Modifikation kann die Potentialkurve zum zerstörungsfreien Auslesen mit drei Potentialminima versehen sein, wovon das erste, also das mit kleinstem Kernabstand bei geringer Schwellenenergie zum nächsten Potentialminimum einer relativ hohen potentiellen Energie entspricht und das zweite und dritte Potentialminimum bei jeweils relativ niedriger potentieller Energie durch eine große Schv/ellenenergie voneinander getrennt sind. Dies läßt sich in vorteilhafter Weise durch eine organische Substanz aus der Gruppe von Verbindungen mit folgender Strukturformel realisieren:

_{Y0 971 O57} 309851/0758

23H193

CH-(CH=CH)_n CH-(CHsCH)_n-CH₂)*

(CH*CH)x Jl

Π (CH=CH)_x

(CH=CH)_X

Il O

(CH-CH)₁

O Fe

_θ W=CH-(CH-CH)_n-W l/e* (CH=CH),

O Fe"

Il 0

971

309851 /0758

23U193

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der unten aufgeführten Zeichnungen und aus den Patentansprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Zeichnung einer gemäß der

Erfindung aufgebauten Speichermatrix,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Ausschnitt der

Speichermatrix nach Fig. 1,

Fig. 3A ein Diagramm, bei dem die potentielle Energie

in Abhängigkeit vom Abstand aufgetragen ist,

Fig. 3B-3D Strom-Spannungs-Diagramme zur Erläuterung der

Betriebsweise des erfindungsgemäßen Speichers,

Fig. 4 u. 5 graphische Darstellungen, bei denen die potentielle Energie in Abhängigkeit vom Abstand für verschiedene organische Moleküle, die erfindungsgemäß Anwendung finden, aufgetragen sind,

Fig. 6 den Querschnitt durch ein zweites Ausführungs

beispiel gemäß der Erfindung zusammen mit einem Betriebsstromkreis,

Fig. 7 einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungs

beispiel gemäß der Erfindung mit seiner Betriebsschaltung.

Die in Fig. 1 gezeigte Speichermatrix besteht, wie im Ausschnitt der Fig. 2 gezeigt, aus einem transparenten Substrat 10, vorzugsweise aus Glas, Quarz, Glimmer, Kunststoff oder dergleichen mit elektrisch isolierenden Eigenschaften. Auf dieses Substrat 10 sind ein oder mehrere elektrische Leiter 12 aufgetragen. Das

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23H193

Ganze ist mit einem Film 14 organischen Materials überzogen. Der organische Film 14 ist derart orientiert, daß seine Longitudinalachse senkrecht zum Substrat 10 gerichtet ist. Diese Orientierung läßt sich durch Anwenden der Verfahren herbeiführen, wie sie in folgenden Literaturstellen beschrieben sind: Angewandte Chemie, Vol. 10, Seite 620 (1971 von H. Kuhn und anderen und J. Phys. Chem., Vol. 79, Seite 3868 (1970) von E. W. Thulstrup und anderen. Eine vierte Schicht 18, bestehend aus einem oder mehreren elektrischen Leitern, ist hierüber angeordnet, indem die Leiter 18 die Leiter 12 überkreuzen. Hierauf läßt sich dann eine Schutzschicht 16, z.B. aus SiO, falls erforderlich auftragen. An die sich überkreuzenden Leiter 12 und 18 ist eine Spannungsversorgung 20 in Verbindung mit x- und y-Adressiermitteln 22 bzw. 24 angeschlossen.

Die erfindungsgemäß verwendeten organischen Substanzen sind chemisch in der Weise behandelt, daß die Lage eines Elektrons in einem Molekül gesteuert und geändert werden kann, indem elektrische Felder, Lichtstrahlung, Wärmestrahlung und dergleichen Anwendung finden.

A.

^CH)n-^N^M.

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> = CH-(CH =

= CH-(CH= CH )

⁼ CH-(CH= CH

Alle drei gezeigten organischen Verbindungen zeigen eine Abhängigkeit der potentiellen Energie vom Kernabstand, wie es in der graphischen Darstellung nach Fig. 3A gezeigt ist. Die Kurve läßt die beiden Potentialtöpfe (a) und (b) erkennen, die charakteristisch für das ir-Bindungssystem der in dieser Erfindung verwendeten Verbindungen sind. Es wird darauf hingewiesen, daß Substituenten an den Benzolringen symmetrisch sind. Diese Symmetrie ist verantwortlich für die identischen Kurvenzüge der Potentialtöpfe (a) und (b). Die Elektronenenergie im Grundzustand im Potentialtopf soll E_ sein, wohingegen die Potentialtopftiefe V entspricht. Damit ergibt sich für die Schwelle V-E_Q. Unter dem Einfluß einer Anregungsenergie gelangen Elektronen aufgrund des Tunneleffekts von Potentialtopf zu Potentialtopf. Befinden sich so z.B. Elektronen im Potentialtopf (a) und wird eine Spannung

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in ausreichender Höhe zwischen den Leitern 12 und 18 (Fig. 1 und Fig. 2) angelegt, dann werden die Elektronen aufgrund des Tunneleffekts in den Potentialtopf (b) überführt. Das Schwellenpotential beträgt nun V-E_n-V , worin V_c der längs der Wegstrecke L wirksame Teil der potentiellen Energie ist, der in ausreichender Höhe zur Tunnelung der Elektronen bereitgestellt werden kann. Sie können nicht zurücktunneln, da in umgekehrter Richtung das Schwellenpotential nunmehr V-E +V beträgt. Eine solche Elektronentunnelung hat eine tautomere Änderung in der Struktur C zur Folge, die zur Tautomerie nachstehender Struktur führt:

,(CH₂),

-(CH = CH)^CH = -(CH= CH)-CH =

Das Tunneln hat weiterhin einen Stromimpuls zur Folge, der in etwa dem in der graphischen Darstellung nach Fig. 3B gezeigten Verlauf entspricht. Ein solcher Impuls wird durch den Detektor 26 in Fig. 1 erfaßt. Der Detektor kann ein Amperemeter, ein Stromimpulsanzeiger oder dergleichen sein. Die soeben beschriebene Betriebsweise, nämlich das Tunneln der Elektronen von Potentialtopf (a) zu Potentialtopf (b) läßt sich als Schreibbetriebsart festlegen bzw. definieren.

Um zu ermitteln, in welchem Potentialtopf sich die Elektronen befinden, d.h. also in der Lesebetriebsart, wird eine Spannung gleichen Vorzeichens wie zuvor angelegt. Dabei ergibt sich eine Strom-Spannungs-Kurve, wie in der graphischen Darstellung nach Fig. 3C gezeigt, wenn Elektronen im Potentialtopf (b) vorhanden sind. Befinden sie sich dagegen im Potentialtopf (a), dann zeigt sich ein Impuls, wie er in der graphischen Darstellung nach Fig. 3B dargestellt ist. Das Löschen geschieht durch Anlegen einer

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" ¹² " 231 Al

Spannung, die gegenüber der in der Schreibbetriebsart vom entgegengesetzten Vorzeichen ist, so daß sich dann ein Impuls, wie in der graphischen Darstellung nach Fig. 3D gezeigt, ergibt.

Die Verbindung C, wie sie oben gezeigt ist, läßt sich nach folgendem Syntheseschema herstellen:

HO-(CH₂)_t L CH

CHO

.0

Il O

(CH₂), OH

HO-(CH₂)_t

COO C2H5

)0 C₂H₅

HO-(CH₂)_t'

AZETON/AL - ISOPROPYLAT

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COOC₂H₅

OCH (CH₂)

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COOC₂H₅

LlAlH₄

-OH

OC Φ₃ ^ΡΒΓ3 OC

A-I-B

LiALH₄

θ · Ρώ,

Br Γ³ CH₂

COOC₂H₅ I

CH₂OH

«) PBr₃

Br

Br_

CHO-(CH-Ch)-CH₂-CHO α ,

OH

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C + D

,(CH₂),

-HCH = CH)

ICH₂),

2'm OH N α+1

OH
CH-CH= CH

(CH₂)

= CH)-CH-CH-CH 04 J I
OH

1) P-TOLUOLSULFONYLCHLORID

2) Ac OH / SnCL₂

(CH=CH)_n-CH = / NH H0_vX.

X)

(CH=CH)_n-CH =

U"

HO

Xz)

1AEQUIVALENT

(CH=CH)_n-CH = (CH=CH)_n-CH =

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Zurückkommend auf das Schaltschema nach Fig. 1 läßt sich die Arbeitsweise der Speichermatrix anhand obenstehender Grundlagen erläutern. Wird eine Spannung zwischen den x- und y-Auswahlleitern 12 und 18 angelegt, wie es durch die x- und y-Adressiermlttel 22 bzw. 24 bestimmt ist, dann läßt sich Information in entsprechend ausgewählten Plätzen der Matrix einschreiben öden löschen, d.h. an den jeweiligen Kreuzungsstellen der x- und y-Auswahlleiter 12 und 13, wie es durch die gestrichelt gezeichneten Kreise 28 angedeutet ist. Die Betriebsart Schreiben oder Löschen wird durch den Detektor 26 ermittelt, der durch Stromimpulse bzw. Strompegel gemäß Fig. 3B bis 3D entsprechend angesteuert wird.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das Speichermedium aus einer organischen Verbindung, die eine Potentialkurve, wie in Fig. 4 gezeigt, aufweist. Die Verbindung kann dabei eine der folgenden Strukturen besitzen:

II (CH=CH)_x

Il 0

ICH«),

2'm

CH)_f

CH-(CH-CH)_n-

A.

O Il

11 O

(CH β CH)

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9^N=CH-ICH=CH)-N: _θ

^Χ */® Y X

Me Me

Erfindungsgemäße Speicher unter Anwendung dieser Verbindung besitzen die Möglichkeit eines zerstörungsfreien Auslesens. D.h., sie lassen durch relativ kleine Spannungen abfragen, um in Ansprechen hierauf den jeweiligen Speicherungszustand anzuzeigen, jedoch nicht zu ändern. Der Speicherungszustand läßt sich deshalb zerstörungsfrei auslesen. So kann z.B. eine Spannung zum Schreiben dienen, indem Elektronen von der Seite a-b zur Seite c tunneln. Eine kleinere Spannung kann dann zum Auslesen verwendet werden. Das Potential zwischen (a) und (b) ist derart, daß Elektronen bei Betriebstemperatur auf das Niveau (b) abfallen können. Wird eine kleinere Lesespannung in einer solchen Richtung angelegt, daß an sich Elektronen von (c) nach (a) übertragen würden, dann reicht diese Lesespannung nicht aus, um Elektronen aus dem Potentialtopf (c) in Richtung (a) zu befördern, so daß auch kein Signalimpuls auftritt. Wären jedoch Elektronen im Potentialtopf (b), dann würden sie sich unter Abgabe eines Signalimpulses in den Potentialtopf (a) übertragen lassen. Nach Abklingen der kleinen Lesespannung kehren dann die Elektronen vom Potentialtopf (a) zum Potentialtopf (b) zurück.

Die in Fig. 6 ausschnittsweise gezeigte Speichervorrichtung besteht aus einer leitenden Schicht 30, einer organischen Verbindungsschicht 32 mit den oben gezeigten Strukturen und aus einem transparenten Leiter 34. Eine Stromversorgung 36 sowie ein Detektor 38 sind mit der leitenden Schicht 30 bzw. mit dem Leiter 34

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verbunden. Wie in der Speichervorrichtung nach Fig. l und 2 ist

der organische Film 32 derart niedergeschlagen, daß die polaren

Achsen der Moleküle senkrecht zu den Leitern 30 und 34 ausgerichtet sind.

Bei Betrieb wird eine Spannung von der Stromversorgung 36 an die Leiter 30 und 34 derart angelegt, daß sich eine Potentialkurve nach Fig. 5 ergibt. Es wird darauf hingewiesen, daß die angelegte Spannung unterhalb der Schwellenwertspannung ist, die erforderlich ist, um Elektronen von einem Potentialtopf in den anderen tunneln zu lassen. Befinden sich Elektronen im Potentialtopf (b), dann lassen sie sich mit Hilfe einer Laserstrahlung auf ein maximales Potential (c) anregen. Diese Umschaltung oder Elektronenübertragung erfolgt entweder durch Aufheizen oder durch direkte optische Absorption des Films 32. Die Elektronen fallen dann vorzugsweise in einen niedrigeren Zustand bzw. in den Potentialtopf (a) zurück. Der Elektronenübergang läßt sich durch einen Stromimpuls in den Spannungskurven feststellen. In einigen Substanzen lassen sich die Elektronenübergänge durch Einfärbung eines erzeugten Flecks feststellen. Genauer ausgedrückt, der Elektronenübergang wird durch relative Absorption einer gegebenen Lichtwellenlänge zwischen diesen beiden Zuständen festgestellt. Sind die Elektronen ursprünglich im Potentialtopf (a), dann wird kein Stromimpuls festgestellt. Die Anordnung läßt sich in entgegengesetzter Richtung umschalten, indem einfach das Vorzeichen der Vorspannung umgekehrt wird.

Auch diese Vorrichtung läßt sich zum zerstörungsfreien Auslesen einrichten, indem eine organische Verbindung verwendet wird, deren Potentialkurve, wie in Fig. 4 gezeigt, verläuft. Eine solche Verbindung besitzt sowohl einen stabilen übergang als auch einen metastabilen übergang, wobei die Struktur folgendermaßen aussieht:

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(CH₅,),

»CH-(CH = CH)_n-^ N ^H ^CH-(CH-CH)_n—/ν Η

CH-CH)_x Jl

STABILER OBERGANG.

(CH-CH)_nCHs (CH=CH)_nCH =

METASTABILER

ÜBERGANG

(POLARISATION)

CH-CH)_x Jl

"CH-(CH = CH)_n-/ 'CH-(CH= CH)_n-

Wird obenstehende Verbindung erfindungsgeraäß verwendet, dann läßt sich ein Laserstrahl relativ geringer Energie anwenden, um Elektronen über die,Potentialschwelle zwischen (a) und (b) und nicht zwischen (b) und (c) anzuheben. Dies läßt sich für Lesen gleicherweise anwenden wie für die ursprüngliche Schreibbetriebsweise. Befinden sich die Elektronen im Potentialtopf (c), geschieht nichts, befinden sie sich jedoch in den Potentialtöpfen (a) oder (b) , dann entsteht ein Stromimpuls. Um ein Signal zu erhalten, das anzeigt, ob die Elektronen im Potentialtopf (a) oder im Potentialtopf (b) sind, läßt sich die Spannung an der Vorrichtung während der Bestrahlung umkehren, so daß ein Impuls abgegeben

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wird, unabhängig davon, in welchen der beiden Potentialtöpfe Elektronen vorhanden sind.

In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die hierin verwendete Speichervorrichtung enthält einen Leiter 40, auf dem sich ein Film 42 einer organischen Verbindung befindet, deren Potentialkurve, wie in Fig. 3A oder 4 gezeigt, verlaufen kann. Der Film 42 ist auch wiederum so orientiert, daß die Longitudinalachse der Verbindung senkrecht zur Achse des Leiters 40 gerichtet ist. Auf dem organischen Film 42 ist ein Photoleiter 44 aufgetragen, der seinerseits einen transparenten Leiter 46 trägt. Auch hier wiederum ist eine Stromversorgung zum Anlegen einer Spannung an die Leiter 40 und 46 sowie ein Detektor 50 zum Erfassen von Stromimpulsen vorgesehen. Grundsätzlich arbeitet die in Fig. 7 gezeigte Anordnung in gleicher Weise wie die nach Fig. 1. Es ergibt sich lediglich der Unterschied, daß eine Lichtquelle 52 dazu dient, den Widerstand der photoleitenden Schicht 44 herabzusetzen, so daß eine angelegte Spannung Elektronentunnelung, d.h. ein Umschalten in der organischen Schicht 42 herbeiführt. Normalerweise würde es beim Anlegen einer Spannung an die Leiter 40 und 44 nicht ausreichen, eine Umschaltung in der organischen Schicht 42 herbeizuführen, da der Widerstand der photoleitenden Schicht 44 sehr viel größer ist als der der organischen Schicht, so daß der größte Anteil der Spannung an der Schicht 44 liegt. Bei Bestrahlung mit hinreichender Intensität jedoch wird der Widerstand der photoleitenden Schicht 44 auf einen Wert abgesenkt, der sehr viel geringer ist als der der organischen SSchicht, so daß nunmehr der größte Teil der Spannung an der organischen Schicht 42 liegt. Auf diese Weise wird ein Umschalten in der organischen Schicht 42 in den Bereichen oder Plätzen herbeigeführt, die durch die Lichtquelle 52 beleuchtet sind.

Die Lichtquelle 52 kann eine aktinische Lichtquelle oder ein Festkörperlaser sein. Wellenlänge und Intensität der Lichtquelle hängen natürlich von der gewählten Photoleitersubstanz ab.

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Die Photoleitersubstanz kann aus einem beliebigen handelsüblichen Material bestehen, wie z.B. Se, CdS, CdSe, PbS, PbSe. Eine Grundvoraussetzung für die Auswahl der Photoleitersubstanz besteht darin, daß die Widerstandseigenschaften derart sind, daß der Widerstand größer ist als der der verwendeten organischen Schicht bei Abwesenheit von Lichteinstrahlung und umgekehrt geringer ist als der der organischen Schicht, wenn Licht einstrahlt.

So ist es z.B. bekannt, daß Photolexter erhältlich sind, deren spezifische Dunkelwiderstände zwischen 1 und 10 Ω cm liegt und daß es möglich ist, einen Fleck auf dem Photolexter zu beleuchten und damit den spezifischen Widerstand um einen Faktor von IO -

4
10 herabzusetzen. Der Widerstand eines Flecks von 1 ym χ 1 um (vorgesehener Bitbereich) bei einer Schichtdicke von 1000 Ä würde zwischen 10 > R > 10 Ω liegen. Für Molekularschichten mit dem

— ρ —

größten spezifischen Widerstand, z.B. bei geradlinigen aliphatischen Säureketten, liegt ein spezifischer Widerstand von £10 Ω cm vor, so daß sich z.B. für eine 70 A dicke Schicht und einem Fleck von 1 pm χ 1 pm ein Widerstand von R <_ 7 χ 10 Ii ergeben würde. Das bedeutet, daß es ohne weiteres möglich ist, für eine organische Schicht einen geeigneten Photolexter zu finden, wo der Dunkelwiderstand zum mindesten lOmal größer ist als der Widerstand der organischen Substanz und der Hellwiderstand höchstens 1/1O des Wertes beträgt, der dem Widerstand der organischen Substanz entspricht. Die Betriebscharakteristiken und -parameter der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich wie folgt bestimmen:

1. BiStabilität

In einem Bitbereich von 1 ym χ 1 pm ergibt sich für die Anzahl der darin vorhandenen Moleküle:

N = -ξ = s IQ⁷ Moleküle/Bit

a^ (3,5 χ 10"^ö)^Z

a_ ist der intermolekulare Abstand (-v 3,5 A) und A_ ist der Bit-O ö

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bereich. Die Anzahl der Moleküle in einem Bit, die von einem Zustand 1 in einen Zustand 2 zurückfallen, läßt sich erhalten aus:

η = -η λ + n„X

N = η + n„

daraus ergibt sich

N , -2At
ⁿl ⁼ 2 ^(e

hierin bedeuten:

λ die Zerfallskonstante

η die Anzahl der Moleküle im Zustand 1 n„ die Anzahl der Moleküle im Zustand 2.

Wird angenommen, daß ein Bit verschwindet, wenn 20 % der Moleküle in den Zustand 2 abgefallen sind und daß die Wahrscheinlichkeit besteht, daß ein Bit nach einem Tag verschwindet und die Möglichkeit von Paritätsprüfung und fehlerkorrigierenden Code nicht in Erwägung gezogen wird, dann ergibt sich für n./N =0,3 und für t = 86 400 Sekunden. Die Zerfallskonstante ist dann: λ = 3 χ 10~⁶.

Die gesamte Speichermatrix braucht nicht in Betracht gezogen zu werden, da die Standardabweichung /N ^ 3 χ 10 ist und ein Abfall von 20 % in Betracht kommt, d.h. ¹^ 10 , so daß alle Bits angenähert zur gleichen Zeit ausfallen. Da die Wahrscheinlichkeitsabnahme für einen Ausfall exponentiell in der Verteilungsfunktion ausläuft, sind sehr große Speichervorrichtungen erforderlich, wenn der exponentiell Kurvenauslauf von Bedeutung

sein sollte, d.h. bei mehr als 10 Bits.

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Es gilt ferner:
λ = ωΡ

Hierin bedeuten ω die Elektronenfrequenz und P die Tunnelwahrscheinlichkeit. Für die in Betracht kommenden Moleküle ergibt sich für den Grundzustand E_Q der Elektronenenergie eine Größenordnung von 0,1 eV, so daß ω = 1,5 χ ΙΟ¹⁴ und P = 1,5 χ 10~~²⁰ ist.

Für eine geringere Elektronenenergie E als es der Potentialschwelle V entspricht gilt:

ρ - 4E(V-E)

4E(V-E) + V^Z sinh^ ^ίΫ*^{Ά U} ^{V h}

L ist dabei die Länge der Tunnelstrecke. Um ein P in der Größenordnung von 10 für E = E zu erhalten, ist Voraussetzung:

/V-E₀ ¹ L = 45 V und E_Q in eV, L in R.

Bis zu einem gewissen Ausmaß besteht eine Viechseiwirkung zwischen Spannung und Länge L. So ergibt sich z.B. für V = 0,2V ein L zu 142 A und für V = 1,6V ergibt sich L zu 37 A. Diese Wechselwirkung ist jedoch aus mehreren Gründen eingeschränkt. Eine Grenzbedingung ergibt sich daraus, wie hoch V bei praktisch vorkommenden Molekülen gewählt werden kann und zum anderen, daß es nicht wünschenswert sein kann, einen hohen Wert für V zu haben und einen kleinen für L, da dann das erforderliche elektrische Feld zur Umschaltung des Speichers so hoch sein würde, daß es zu einem elektrischen Durchbruch kommt. Weiterhin ist es nicht wünschenswert, V in seinem Wert zu klein zu halten, denn dann könnte man in die gleiche Größenordnung kommen wie die thermische Energie, nämlich bei 0,025 eV, so daß der Speicher nicht betriebssicher arbeitet, wenn er nicht auf niedrige Temperatur abgekühlt wird, nämlich auf kT < < V-E_Q. Schließlich, je kleiner der Wert für V um so größer muß der Wert für L sein und um so schwieriger würde es in vielen Fällen sein, ein entsprechendes Molekül bereitzustellen.
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-23- 23U193

Ein geeigneter Bereich liegt zwischen 0,2 £V < 1,
entsprechend: 45 <_ L <_ 100.

Der Wert für η in den Molekülen ist so eingestellt, daß sich ein geeigneter Wert für L ergibt. In gleicher Weise erstellt eine
ähnliche Rechnung für Moleküle, deren Potentialkurve durch die graphische Darstellung nach Fig. 4 wiedergegeben ist, eine Beziehung für die Potentialtöpfe (a) und (b), wobei sich der Abstand hierzwischen durch Herausgreifen eines geeigneten Wertes für m einstellen läßt.

2. Umschaltspannungen

Zur Umschaltung, d.h. zur Änderung eines Bits wird eine Spannung V an den entsprechenden Bitbereich angelegt, der sich zum Wert

E hinzuaddiert, so daß sich hierdurch die Energieschwelle V-E-V vermindert, die ja die Bewegung eines Elektrons behindert. Es
ergibt sich dann:

η = -η λ
N = Ne~^2t

In diesem Falle ist der zweite Term, der im oben beschriebenen ersten Beispiel noch aufgeführt war, vernachlässigt, da sich mit der angelegten Spannung der Schwellenwert zu V-E+V ergibt, so daß die Rücktunnelung vom Potentialtopf 2 zum Potentialtopf 1
nicht von Bedeutung ist.

Wird zum Umschalten, also zum Ändern des Bits definiert
n. = 0,01 N, dann gilt

Xt » 4,6
oder ₅'

P = I = -Ii-⁶- = ⁴'⁶ χ 60

ω τω τ

γο 971 057 3 0 985 1/075 8

Für τ in der Größenordnung von 1 Pikosekunde erhält man: P = 10 , das sich ergibt, wenn V -V.

Wird ein Material mit V = 0,5 V und für L z.B. mit etwa 64 R gewählt, dann ergibt sich für das Umschaltfeld (E ):

E_o = -S = Ozi = 7,8 χ 10⁵ V/cm

^{S L} 64 χ 60~^ö

Dies stellt ein leicht erreichbarer Wert für Dünnschichtfilme dar.

3. Lesestrom

i =
¹ dt

dq = 2eN ^ 3 χ ΙΟ*"¹² C

Die maximale Eigenumschaltgeschwindigkeit des Moleküls ergibt sich zu ^ l/ω ^ 10 sec. Für P=I muß dann für die Umschaltung der Anordnung der äußere Schaltkreis berücksichtigt werden.

-9
Hierfür sei 10 see. angenommen.

_3 Demnach ergibt sich: i = dq/dt = 3 χ 10

Bei dieser Stromstärke entsteht an einer Last von 10 Ω, die typisch für Abfühlstromkreise ist, eine Spannung von V_Q - 30 mV.

Der Strom läßt sich noch steigern, sowie der äußere Schaltkreis schneller anspricht, bis eine Umschaltgeschwindigkeit von ^ — erreicht ist.

971 057 3 0 9851/0758

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Speicheranordnung mit einem Film organischen Materials als Speichermedium, bei dem Molekülbindungen für die Speicherfunktion ausgenutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Substanz zumindest einen ersten Potentialtopf und zumindest einen zweiten Potentialtopf in seiner Potentialkurve aufweist, wobei der Abstand von Potentialminimum zu Potentialminimum mindestens 45 Ä beträgt, daß beide Oberflächen des organischen Films mit jeweils parallelen elektrischen Leitungszügen überzogen sind, wobei sich die Leitungszüge der einen Filmoberfläche mit denen der anderen Filmoberfläche kreuzen, und daß Abfühlmittel zur Anzeige von Elektronentunnelung vorgesehen sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine organische Substanz mit einem Abstand der Potentialminima voneinander zu etwa 45 bis etwa 1OO A.
3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine organische Substanz aus der Gruppe der Verbindungen mit folgenden Strukturen:

^{Y0 971 O57} 309851/0758

N-CH-(CH=CH)_n-N,

,θ

CH-(CH^CH)_n CH-(CH« CH)_n-

ΪΟ 971 OS7

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4. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine organische Verbindung der Struktur:

KH₂U /(CHg)_1n

HN >- CH-(CH*CH)_n—( N HcO>

^ - CH-(CH-CH)_n-/~ji
5. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungszüge auf einer Oberflächenseite des organischen Films transparent sind.
6. Anordnung nach Anspruch 1 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser vorgesehen ist, um die Elektronen im organischen Film auf das Potentialmaximum seiner Potentialkurve anzuheben.
7. Anordnung mindestens nach Anspruch und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum zerstörungsfreien Auslesen die organische Substanz eine Potentialkurve besitzt, deren zweites Potentialminimum, d.h. das bei größerem Kernabstand, einer höheren potentiellen Energie entspricht als die des ersten, also des bei kleinerem Kernabstand.
8. Anordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine organische Verbindung aus der Gruppe der Verbindungen mit folgenden Strukturen:

309851 /0758

YO 971 O57

^CHg)_m CH-(CH-CH)_n-/ \ HO

CH-(CH-CH)_n

ICH-CH)_x.

Fe

-(CHg)_n

I I I

(CH-CH)

Ft

Me ® I

_Μβ>Ν- CH-(CH- CH /Mt

Mt

-2-

YO 971 057

51/0758

. ₂₉ . 23U193
9. Anordnung nach Anspruch 1 und Anspruch 5, gekennzeichnet zum zerstörungsfreien Auslesen durch eine Potentialkurve mit drei Potentialminima, wovon das erste, also das mit kleinstem Kernabstand bei geringer Schwellenenergie zum nächsten Potentialminimum einer relativ hohen potentiellen Energie entspricht und das zweite und dritte Potentialminimum bei jeweils relativ niedriger potentieller Energie durch eine große Schwellenenergie voneinander getrennt sind.
10. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine organische Substanz aus der Gruppe von Verbindungen mit den Strukturformeln:

YO 971 057 309851/0758

Il

(CH₂),

,(CH=CH)_x

Il O

=CH-(CH=CH)_n CH-(CH=CH)_n-

(CH=CH)_x Ji

H (CH=CH)_x

Il

(CH=CH)_x

B.

(CH-CH),

⁰ / II /

Il

Fe

(CH=CH),

Il 0

YO 971 O57

309851/0758

~ Jl —
11. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Oberfläche des organischen
Films mit einer photoleitenden Schicht überzogen ist; die dann ihrerseits die entsprechenden elektrischen Leitungszüge trägt, wobei der Dunkelwiderstand der photoleitenden Schicht wesentlich höher ist als der Widerstand des organischen Films und der Hellwiderstand der photoleitenden Schicht wesentlich geringer ist als der V7iderstand der
organischen Filmschicht.
12. Anordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die Verwendung von Se, CdS, CdSe, PbS und PbSe als Substanz für
die photoleitende Schicht.
13. Anordnung nach Anspruch 11 o<|er Anspruch 12, gekennzeichnet durch die Verwendung einer organischen Substanz aus
der Gruppe der Verbindungen mit Strukturformeln:

057 3098 51/0758

A.

<CH₂)_n

B.

^m\

N-CH-(CH-CH)_n-N

(CH₂)_m-<ö;

C.

-CH-(CH « CH)₁

.(CH₂),

N H

CH-(CH. CH)_n-fKl

YO 971 309851/0758