DE60220037T2 - Molekulares speichersystem und verfahren - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Molekularspeichersysteme und -verfahren.
  • Hintergrund
  • Viele verschiedene molekulare elektronische sind bereits vorgeschlagen worden.
  • So ist z. B. bei einer Molekularspeichervorrichtungsstruktur eine Molekülschicht (z. B. ein Langmuir-Blodgett-Film) zwischen einem Paar von elektrisch leitenden Schichten (z. B. einem Paar Metallschichten, einer Metallschicht und einer dotierten Halbleiterschicht oder einem Paar dotierter Halbleiterschichten) angeordnet. Die Molekülschicht dient als dünner isolierender Film, der bei einer Metall-Isolator-Metall(MIM)-Struktur, die als Tunnelübergangsvorrichtung oder als Schaltvorrichtung konfiguriert sein kann, oder bei einer Metall-Isolator-Halbleiter(metal insulator semiconductor(MIS))-Struktur, die als Logik- und Speichervorrichtung konfiguriert sein kann, verwendet werden kann.
  • Die US-Patentschrift Nr. 6,128,214 beschreibt eine andere Molekularspeichervorrichtungsstruktur, die als Molekularelektroden-Kreuzschiene-Speicher-System (molecular wire crossbar memory (MWCM)-System) konfiguriert ist, das aus einem zweidimensionalen Array von Vorrichtungen im Nanometerbereich gebildet ist. Jede MWCM-Vorrichtung ist an dem Kreuzungspunkt (oder an der Kreuzung) eines Paares von gekreuzten Elektroden, wo zumindest eine Molekülverbinder spezies als bistabiler Molekularschalter zwischen dem Paar gekreuzter Elektroden wirkt, gebildet. Die resultierende Vorrichtungsstruktur kann als Widerstand, als Diode oder als asymmetrischer, nicht-linearer Widerstand konfiguriert sein. Der Zustand einer jeden MWCM-Vorrichtung kann durch das Anlegen einer relativ hohen Zustandsänderungsspannung verändert werden und kann mit einer Nicht-Zustandsänderungsspannung (oder zerstörungsfreien Spannung) erfasst werden.
  • Die US-Patentschrift Nr. 5,812,516 beschreibt ein Molekularspeichersystem, bei dem eine Raster-Tunnelmikroskop-Sondenelektrode (oder eine Atomkraftmikroskop-Sondenelektrode) abtastend direkt über einer Molekularaufzeichnungsschicht bewegt wird und verwendet wird, um elektrische Signale zum Schreiben von Informationen auf und zum Auslesen von Informationen aus lokalisierten Bereichen des Molekularaufzeichnungsmediums zu emittieren. Im Betrieb wird der Abstand zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium konstant gehalten (z. B. in der Größenordnung von 1 nm), basierend auf einer erfassten Verschiebung der Sondenelektrode, die durch eine zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium wirkende interatomare Kraft verursacht wird. Auf diese Weise können Schäden, die durch einen Kontakt zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium verursacht werden könnten, vermieden werden.
  • Es sind noch andere Molekularspeichersysteme und -vorrichtungen vorgeschlagen worden.
  • Die US-A-3,833,894 beschreibt eine organische Speichervorrichtung, die ein Substrat aufweist, auf dessen einer Oberfläche eine Leiterstruktur vorgesehen ist. Auf der Leiterstruktur wird ein organisches Material angeordnet, auf dem wiederum eine zweite Leiterstruktur bereitgestellt ist. Auf dem organischen Material und auf der zweiten Leiterstruktur ist eine Schutzschicht, die sowohl das organische Material als auch die obere Leiterstruktur bedeckt, angeordnet.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Molekularspeichersystem zu liefern, das ein Schreiben und Lesen von Informationen durch einen direkten elektrischen Kontakt einer Abtastsonde ohne ein wesentliches Risiko einer Beschädigung der Abtastsonde oder des Molekularaufzeichnungsmediums ermöglicht.
  • Dieses Ziel wird erreicht durch ein Molekularspeichersystem gemäß Anspruch 1.
  • Zusammenfassung
  • Die Erfindung bietet ein neuartiges Molekularspeichersystem, das eine Schutzschicht umfasst, die über eine Molekularaufzeichnungsschicht angeordnet ist, um es einer Abtastsonde zu ermöglichen, Informationen in einen Molekularspeicherelement zu schreiben und aus demselben zu lesen durch einen direkten elektrischen Kontakt ohne ein wesentliches Risiko einer Beschädigung der Abtastsonde oder des Molekularaufzeichnungsmediums. Auf diese Weise vermeidet die Erfindung die hohen Emissionsströme, die die Sondenelektrode oder die Aufzeichnungsmedien oder beide beschädigen können, und vermeidet andere Schwierigkeiten, die oft mit Molekularspeichersystemen mit nicht-kontaktierenden Sondenelektroden verbunden sind.
  • Bezüglich eines Aspekts bietet die Erfindung ein Molekularspeichersystem, das eine erste Elektrodenstruktur, eine zweite Elektrodenstruktur sowie ein Aufzeichnungsmedium, das eine Molekularaufzeichnungsschicht, die zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur angeordnet ist, umfasst. Die zweite Elektrodenstruktur weist eine im Wesentlichen planare Schutzoberfläche auf, die für einen Kontakt mit einer Sondenspitze freiliegt, und weist ein Array von voneinander beabstandeten Elektroden auf, die durch elektrisch isolierendes Material getrennt sind.
  • Ausführungsbeispiele gemäß diesem Aspekt der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen.
  • Die Molekularaufzeichnungsschicht umfasst vorzugsweise eine schaltbare Molekülspezies (z. B. eine Rotaxanmolekülspezies). Die Molekularaufzeichnungsschicht weist vorzugsweise eine Speichereigenschaft auf, die selektiv einen ersten und einen zweiten Speicherzustand mit unterschiedlichen Strom-Spannung-Charakteristika hält, und vorzugsweise einen Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Speicherzustand auf ein Anlegen einer Zustandsänderungsspannung über die Aufzeichnungsschicht (16) hin aufweist. Die erste Elektrodenstruktur weist vorzugsweise eine über ein Substrat angeordnete Metallschicht auf. Die zweite Elektrodenstruktur weist vorzugsweise ein Array von voneinander beabstandeten Metallelektroden auf, die durch ein Metalloxid getrennt sind (z. B. Aluminiumelektroden, die durch Aluminiumoxid getrennt sind).
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Molekularspeichersystem eine Sondenspitze, die konfiguriert ist, um die freiliegende, im Wesentlichen planare Schutzoberfläche der zweiten Elektrodenstruktur zu kontaktieren. Die Sondenspitze umfasst vorzugsweise eine Kohlenstoffnanoröhre. Eine Abtastanordnung kann ein Array von Sondenspitzen beinhalten, von denen jede konfiguriert ist, um die freiliegende, im Wesentlichen planare Schutzoberfläche der zweiten Elektrodenstruktur zu kontaktieren. Eine Betätigungsvorrichtung kann mit dem Array von Sondenspitzen gekoppelt sein und kann konfiguriert sein, um die Position der Sondenspitzen einzustellen, um einen Kontakt zwischen jeder Sondenspitze und der freiliegenden, im Wesentlichen planaren Oberfläche der zweiten Elektrodenstruktur aufrechtzuerhalten. Die Abtastanordnung ist vorzugsweise konfiguriert, um das Sondenspitzenarray abtastend über die freiliegende, im Wesentlichen planare Schutzoberfläche der zweiten Elektrodenstruktur zu bewegen. Eine Lese-/Schreibsteuerung ist vorzugsweise konfiguriert, um das Anlegen von Spannungssignalen durch die Abtastanordnungssondenspitzen und zwischen der ersten Elektrodenstruktur und den Elektroden der zweiten Elektrodenstruktur zu steuern. Die Lese-/Schreibsteuerung ist vorzugsweise konfiguriert, um das Anlegen einer Erfassungsspannung zum Bestimmen eines Lokalspeicherzustands der Molekularaufzeichnungsschicht zu steuern und um das Anlegen einer Zustandsänderungsspannung zum Ändern eines Lokalspeicherzustands der Molekularaufzeichnungsschicht zu steuern.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen ist über die freiliegende, im Wesentlichen planare Schutzoberfläche der zweiten Elektrodenstruktur ein Schmiermittel angeordnet.
  • Bezüglich eines anderen Aspekts bietet die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen des oben beschriebenen Molekularspeichersystems.
  • Bezüglich eines anderen Aspekts der Erfindung wird ein Sondenarray gegen die freiliegende, im Wesentlichen planare Oberfläche der zweiten Elektrodenstruktur des oben beschriebenen Molekularspeichersystems kontaktiert, und das kontaktierende Sondenspitzenarray wird abtastend über die freiliegende, im Wesentlichen planare Schutzoberfläche der zweiten Elektrodenstruktur bewegt.
  • Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, einschließlich der Zeichnungen und der Ansprüche.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine diagrammatische Querschnittsseitenansicht einer Molekularspeichervorrichtung, die aus zumindest einer elektrisch adressierbaren Molekularspezies, die zwischen zwei überlappenden, elektrisch leitfähigen Elektroden angeordnet ist, gebildet ist.
  • 2 ist eine diagrammatische perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Molekularspeichers, der ein Array von Speichervorrichtungen umfasst, von denen jede eine Struktur aufweist, die der Molekularspeichervorrichtung von 1 entspricht.
  • 3 ist eine diagrammatische Seitenansicht eines Molekularspeichersystems, das eine Anordnung zum abtastenden Bewegen eines Sondenspitzenarrays über die freiliegende, im Wesentlichen planare Schutzoberfläche des Speichervorrichtungsarrays in 2 umfasst.
  • 4A und 4B sind eine diagrammatische Unteransicht bzw. eine diagrammatische Querschnittseitenansicht eines Sondenspitzenarrays der Abtastsondenspitzenanordnung von 3.
  • 5 ist eine diagrammatische perspektivische Ansicht des Abschnitts des Speichervorrichtungsarrays von 2, wobei eine Schmiermittelschicht über eine freiliegende, im Wesentlichen planare Oberfläche angeordnet ist.
  • Detaillierte Beschreibung
  • In der folgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente zu identifizieren. Zudem sollen die Zeichnungen Hauptmerkmale von beispielhaften Ausführungsbeispielen in einer diagrammatischen Art und Weise darstellen. Die Zeichnungen sollen nicht jedes Merkmal von tatsächlichen Ausführungsbeispielen oder relative Abmessungen der wiedergegebenen Elemente wiedergeben und sind nicht maßstabsgetreu.
  • Unter Bezugnahme auf 1 umfasst bei einem Ausführungsbeispiel eine Molekularspeichervorrichtung (oder ein Molekularspeicherelement) 10 zwei elektrisch leitende Elektroden 12, 14 sowie eine Schicht 16 von schaltbaren Molekülen oder Molekularverbindungen, die zwischen den Elektroden 12, 14 angeordnet ist. Das spezielle Molekül bzw. die speziellen Moleküle 18, die an der Kreuzung der Elektroden 12, 14 angeordnet sind, dient bzw. dienen als Schaltmoleküle und entspricht bzw. entsprechen dem aktiven Abschnitt der Molekularspeichervorrichtung 10. Im Betrieb kann der Zustand der Molekularspeichervorrichtung 10 durch das Anlegen einer relativ hohen Zustandsänderungsspannung über die Elektroden 12, 14 verändert werden. Die Größe der Zustandsänderungsspannung ist ausreichend, um die Schaltmoleküle 18 zu oxidieren oder zu reduzieren. Die Schaltmoleküle 18 können ein Redoxpaar von Molekularspezies umfassen, die zusammenwirken, um die Ladung auszugleichen, so dass, wenn eine der Molekularspezies oxidiert (oder reduziert) wird, die andere Molekülspezies reduziert (oder oxidiert) wird. Im Betrieb kann, bei einem Beispiel, eine Molekülspezies reduziert und die zugeordnete Molekülspezies (die andere Hälfte des Redoxpaars) oxidiert werden. Bei einem anderen Beispiel kann eine Molekülspezies reduziert und eine der Elektroden 12, 14 oxidiert werden. Bei einem dritten Beispiel kann eine Molekülspezies oxidiert und eine der Elek troden 12, 14 reduziert werden. Bei einem vierten Beispiel kann eine Elektrode oxidiert und ein Oxid, das der anderen Elektrode zugeordnet ist, reduziert werden. Bei jedem dieser Beispiele beeinflusst eine Oxidation oder eine Reduktion den Tunnelabstand oder die Höhe der Tunnelbarriere zwischen den zwei Elektroden, wodurch die Rate des Ladungstransports über die Elektrodenkreuzung exponentiell verändert wird. Diese elektronische Funktionalität dient als Basis für das Betreiben der Molekularspeichervorrichtung 10 als elektrischer Schalter.
  • Die Elektroden 12, 14 können jeweils aus einem elektrisch leitenden Metall oder aus einem dotierten Halbleitermaterial gebildet sein. Die Elektroden 12, 14 können durch einen konventionellen Dünnfilm-Aufbringungsprozess einschließlich eines physikalischen Dünnfilm-Aufbringungsprozess (z. B. Magnetron-Sputtern oder Elektronenstrahlaufbringung) oder eines chemischen Dünnfilm-Aufbringungsprozesses (z. B. chemische Dampfaufbringung) auf ein Substrat 20 aufgebracht werden.
  • Die Molekularschicht 16 kann aus einer Vielfalt von verschiedenen schaltbaren Molekülspezien gebildet sein. Andere Molekülspezies (z. B. die Molekularaufzeichnungsmediumverbindungen, die in der US-Patentschrift Nr. 5,812,516 beschrieben sind) können ebenfalls verwendet werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die gewählte Molekülspezies in einem Lösungsmittel (z. B. Tetrahydrofuran) aufgelöst werden, als Langmuir-Monoschicht vorbereitet werden und als Langmuir-Blodgett-Einzelmonomolekularfilm 16 über die untere Elektrode 12 transferiert werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann eine geeignete Molekülspezies direkt auf das Substrat 20 aufgebracht werden.
  • Die obere Elektrode 14 ist von einem isolierenden Material 36 umgeben, das aus einem geeigneten, elektrisch isolierenden Material einschließlich eines Metalls oder eines Halbleiteroxids gebildet sein kann. Bei einigen Ausführungsbei spielen kann die obere Elektrode 14 durch Umwandeln von Bereichen einer oberen Schicht von einem elektrischen Leitfähigkeitstyp zum anderen gebildet werden. So ist z. B. bei einem Ausführungsbeispiel die obere Schicht aus einem elektrischen Leiter (z. B. Aluminium oder Titan) gebildet, und die isolierenden Bereiche 36 werden durch einen konventionellen Oxidationsprozess in einen elektrischen Isolator umgewandelt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die obere Schicht aus einem elektrischen Isolator (z. B. einer elektrischen Antisicherungsstruktur) gebildet, wobei in diesem Fall ein der oberen Elektrode 14 entsprechender Bereich in einen elektrischen Leiter umgewandelt wird.
  • Das Substrat 20 kann aus einem isolierenden Material, z. B. einer auf einem Halbleitersubstrat gebildeten Oxidschicht (z. B. einer Siliziumdioxid(SiO2)-Schicht, die auf einem Siliziumsubstrat gebildet ist) oder einem Saphir gebildet sein.
  • In Abhängigkeit von den für die Molekularschicht 16 ausgewählten Molekülen oder Materialien kann die Molekularspeichervorrichtung 10 eine beliebige einer Vielfalt unterschiedlicher elektrischer Schaltfunktionen aufweisen, die verwendet werden können, um steuerbar eine Verbindung zwischen der unteren Elektrode 12 und der oberen Elektrode 14 herzustellen oder zu trennen. Die Molekularspeichervorrichtung kann einzeln konfigurierbar oder rekonfigurierbar sein. Bei einzeln konfigurierbaren Ausführungsbeispielen kann der Anfangszustand der Molekularspeichervorrichtung 10 offen oder geschlossen sein. Bei rekonfigurierbaren Ausführungsbeispielen kann die Schaltvorrichtung durch ein zyklisches Verändern der Polarität und der Höhe der angelegten Spannung über geeignete Schwellenwerte, die ausgewählt sind, um das aktive Material oder die Moleküle 18 reversibel zu oxidieren und zu reduzieren, hinaus mehrfach geöffnet und geschlossen werden.
  • Im Allgemeinen hängt die Art der zwischen der unteren Elektrode 12 und der oberen Elektrode 14 gebildeten elektrischen Verbindung von den Materialien ab, aus denen die Elektroden 12, 14 und die Molekularschicht 16 gebildet sind. Tabelle 1 gibt die verschiedenen Typen der elektrischen Schaltfunktionen an, die aus unterschiedlichen Materialkombinationen der Vorrichtung erhalten werden können.
    Vorrichtungstyp Elektrodenmaterialien
    Metall/Metall (identisch) Metall/Metall (unterschiedlich) Metall/Halbleiter Halbleiter/Halbleiter (pn-Übergang) Halbleiter/Halbleiter (Heteroübergang)
    Widerstand X X X
    Tunnelwiderstand X X X
    ResonanzTunnelwiderstand X X X
    Diode X X X X
    Tunneldiode X X X
    ResonanzTunneldiode X X X X
    Batterie X X X
    Tabelle 1
  • Wie in 2 gezeigt ist, kann, bei einem Ausführungsbeispiel, ein Molekularspeicher 30 aus einem Array von Speicherelementen, von denen jedes die Struktur der Molekularspeichervorrichtung 10 aufweist, gebildet sein. Insbesondere umfasst das Molekularspeichersystem 30 eine erste Elek trodenstruktur 32, die der Elektrode 12, die als gemeinsame Elektrode für jedes der Speicherelemente dient, entspricht. Das Molekularspeichersystem 30 umfasst auch eine zweite Elektrodenstruktur 34, die ein Array von voneinander beabstandeten Elektroden 14, die durch das elektrisch isolierende Material 36 getrennt sind, umfasst, und weist eine im Wesentlichen planare Schutzoberfläche 38 auf, die für einen Kontakt mit einer Abtastsondenspitze freiliegt. Ein Aufzeichnungsmedium 40, das der Molekularschicht 16 entspricht, ist zwischen der ersten Elektrodenstruktur 32 und der zweiten Elektrodenstruktur 34 angeordnet.
  • Unter Bezugnahme auf 3 können, bei einem Ausführungsbeispiel, Informationen mit einer Sondenspitze oder einem Array von Sondenspitzen 50, die durch einen Abtastkopf 52 gestützt sind, in einen Molekularspeicher 30 geschrieben und aus demselben abgelesen werden. Eine Lese-/Schreibsteuerung 54 steuert das Anlegen von Spannungssignalen durch die Sondenspitzen 50 und zwischen der ersten Elektrodenstruktur 32 und den Elektroden 14 der zweiten Elektrodenstruktur 34. Wie es durch die Pfeile 56, 58 gezeigt ist, ist der Abtastkopf 52 auf einer Abtastanordnung 59 befestigt, die konfiguriert ist, um den Abtastkopf 52 präzise über die freiliegende, im Wesentlichen planare Schutzoberfläche 38 der zweiten Elektrodenstruktur 34 zu bewegen. Insbesondere kann der Abtastkopf 52 vertikal durch eine z-Achse-Abtastbetätigungsvorrichtung 60 und horizontal durch eine x-y-Achse-Abtastbetätigungsvorrichtung 62 bewegt werden. Die z-Achse-Abtastbetätigungsvorrichtung 60 und die x-y-Achse-Abtastbetätigungsvorrichtung 62 werden durch einen Stützarm 64 getragen. Eine Positionssteuerung 66 steuert die vertikalen und horizontalen Positionen der Sondenspitzen 50 über die Oberfläche 38. Im Betrieb kann die Positionssteuerung 66 die Sondenspitzen 50 vertikal bis zu einem Kontakt mit der Oberfläche 38 herabsenken. Nachfolgend kann die Positionssteuerung 66 die berührenden Sondenspitzen 50 abtastend horizontal über die Oberfläche 38 bewegen. Nachdem eine oder mehrere Sondenspitzen 50 über eine entsprechende Anzahl von Elektroden 14 positioniert sind, kann die Lese-/Schreibsteuerung 54 durch ein Anlegen einer relativ hohen Zustandsänderungsspannung über die Speicherelemente, die ausgewählt ist, um die Lokalspeicherzustände der Speicherelemente zu ändern, Informationen in die entsprechenden Speicherelemente schreiben. Alternativ kann die Lese-/Schreibsteuerung 54 durch ein Anlegen einer relativ niedrigen Erfassungsspannung über die Speicherelemente, die gewählt ist, um Informationen über die Elektrischer-Strom-Leiteigenschaften der Speicherelemente bereitzustellen, ohne den Speicherzustand derselben zu ändern, in den entsprechenden Speicherelementen gespeicherte Informationen lesen.
  • Die Abtastanordnung 59 kann als konventionelle Raster-Tunnelmikroskop (scanning tunneling microscope (STM))-Abtastanordnung implementiert sein, bei der die Positionen der Sondenspitzen 50 auf der Basis der Informationen über den Tunnelstrom gesteuert werden. Alternativ kann die Abtastanordnung 59 als Atomkraftmikroskop (atomic force microscope (AFM))-Abtastanordnung implementiert sein, bei der die Positionen der Sondenspitzen 50 auf der Basis einer Kraft (z. B. einer atomaren Kraft, einer elektrostatischen Kraft oder einer Magnetkraft), die zwischen den Sondenspitzen 50 und der freiliegenden, im Wesentlichen planaren Schutzoberfläche 38 der zweiten Elektrodenstruktur 34 erzeugt wird, gesteuert werden. Die z-Achse-Abtastbetätigungsvorrichtung 60 und die x-y-Achse-Abtastbetätigungsvorrichtung 62 können als planare elektrostatische Betätigungsvorrichtungen implementiert sein (s. z. B. US-Patentschriften Nr. 6,136,208 und 5,801,472 , die durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen sind).
  • Wie in 4A und 4B gezeigt ist, kann der Abtastkopf 52 ein reguläres Array von Sondenspitzen 50 mit einem Sondenspitzenabstand, der vorzugsweise dem 10-104fachen des Abstands zwischen den Speicherelementen 10 des Molekular speichers 30 entspricht, stützen. Die Sondenspitzen 50 können aus einem beständigen, elastischen und elektrisch leitfähigen Material einschließlich eines metallischen Materials (z. B. Platin) oder eines nicht-metallischen Materials (z. B. Kohlenstoff) gebildet sein. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Sondenspitzen 50 Kohlenstoffnanoröhren. Gemäß der Verwendung in dem vorliegenden Dokument bedeutet der Begriff „Nanoröhre" einen hohlen Gegenstand mit einer Schmalseite (Durchmesser) von ungefähr 1-200 nm und einer Längsseite (Länge), bei dem das Verhältnis der Längsseite zu der Schmalseite (d. h. das Seitenverhältnis) zumindest 5 beträgt. Im Allgemeinen kann das Seitenverhältnis zwischen 5 und 2 000 betragen. Eine Kohlenstoffnanoröhre ist eine Hohlstruktur, die aus Kohlenstoffatomen gebildet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann jede Sondenspitze 50 entweder eine mehrwandige Nanoröhre (multiwalled nanotube MWNT) oder eine einwandige Nanoröhre (single-walled nanotube SWNT) sein. Eine MWNT umfasst mehrere Nanoröhren, von denen jede einen unterschiedlichen Durchmesser aufweist. Somit ist die Röhre mit dem kleinsten Durchmesser von einer Röhre mit einem größeren Durchmesser eingekapselt, die wiederum von einer Röhre mit einem noch größeren Durchmesser eingekapselt sein kann. Eine SWNT wiederum umfasst lediglich eine Nanoröhre. MWNTs werden üblicherweise entweder als einzelne MWNTs oder als Bündel von MWNTs hergestellt. SWNTs wiederum werden üblicherweise als Seile von SWNTs hergestellt, bei denen jeder einzelne Strang des Seils eine SWNT ist. Die Kohlenstoffnanoröhre-Sondenspitzen 50 können durch einen konventionellen Kohlenstoffnanoröhrenherstellungsprozess (z. B. eine chemische Dampfaufbringung) aufgewachsen werden.
  • Wie in 4B gezeigt ist, ist an der Basis jeder Sondenspitze 50 eine planare Betätigungsvorrichtung 80 positioniert und konfiguriert, um den Kontakt jeder Sondenspitze 50 mit der Oberfläche 38 aufrechtzuerhalten. Die Kohlenstoffnanoröhre-Sondenspitzen 50 können gleiche oder interschiedliche Längen aufweisen. Während der abtastenden Bewegung ist die planare Betätigungsvorrichtung 80 konfiguriert, um die Position einer jeden Sondenspitze 50 einzustellen, um die entsprechenden Sondenspitzenlängen unterzubringen, um einen Kontakt zwischen den Sondenspitzen 50 und der oberen Schicht 38 aufrechtzuerhalten.
  • Unter Bezugnahme auf 5 kann bei einem Ausführungsbeispiel eine Schmiermittelschicht 70 über die freiliegende, im Wesentlichen planare Schutzoberfläche 38 der zweiten Elektrodenstruktur 34 angeordnet sein. Die Schmiermittelschicht 70 kann aus jedem geeigneten, elektrisch nicht leitenden Feststoff- oder Flüssigmaterial, das die Wechselwirkungsenergie zwischen den Sondenspitzen 50 und der Oberfläche 38 vermindert, gebildet sein. So kann z. B. das Schmiermittel 70 eine Graphitschicht sein, die über die Oberfläche 38 thermisch verdampft wird. Andere Materialzusammensetzungen können ebenfalls verwendet werden. Durch das Vermindern der Wechselwirkungsenergie zwischen den kontaktierenden Sondenspitzen 50 und der Oberfläche 38 vermindert die Schmiermittelschicht 70 den Verschleiß sowie die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Sondenspitzen 50 und der Oberfläche 38 während der Benutzung.
  • Weitere Ausführungsbeispiele fallen in den Schutzumfang der Ansprüche. Zum Beispiel können die oben beschriebenen Molekularspeichervorrichtungen in einer Schaltung implementiert sein, die konzipiert ist, eine oder mehrere logische (im Gegensatz zu Speicher-) Funktionen durchzuführen.
  • Wieder andere Ausführungsbeispiele fallen ebenfalls in den Schutzumfang der Ansprüche.

Claims (18)

  1. Ein Molekularspeichersystem, das folgende Merkmale aufweist: eine erste Elektrodenstruktur (32); ein Aufzeichnungsmedium (40), das eine Molekularaufzeichnungsschicht (16) aufweist, die zwischen der ersten Elektrodenstruktur (32) und einer zweiten Elektrodenstruktur (34) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodenstruktur (34) eine im Wesentlichen planare Schutzoberfläche (38) aufweist, die für einen Kontakt mit einer Sondenspitze (50) freiliegt, und ein Array von voneinander beabstandeten Elektroden (14) aufweist, die durch elektrisch isolierendes Material (36) getrennt sind; und wobei die Elektroden (14) der zweiten Elektrodenstruktur (34) von dem elektrisch isolierenden Material (36) derart umgeben sind, dass Oberflächen der zweiten Elektrodenstruktur (34) und des elektrisch isolierenden Materials (36), die von dem Aufzeichnungsmedium (40) abgewandt sind, die planare Schutzoberfläche (38) bilden.
  2. Das Molekularspeichersystem gemäß Anspruch 1, bei dem die Molekularaufzeichnungsschicht (16) eine schaltbare Molekülspezies aufweist.
  3. Das Molekularspeichersystem gemäß Anspruch 2, bei dem die Molekularaufzeichnungsschicht (16) eine Rotaxanmolekülspezies aufweist.
  4. Das Molekularspeichersystem gemäß Anspruch 1, bei dem die erste Elektrodenstruktur (32) eine Metallschicht (12) aufweist, die über einem Substrat (20) angeordnet ist.
  5. Das Molekularspeichersystem gemäß Anspruch 1, bei dem die zweite Elektrodenstruktur (34) ein Array von voneinander beabstandeten Metallelektroden (14) aufweist, die durch ein Metalloxid (36) getrennt sind.
  6. Das Molekularspeichersystem gemäß Anspruch 5, bei dem die Metallelektroden (14) aus Aluminium gebildet sind und das Metalloxid (36) Aluminiumoxid ist.
  7. Das Molekularspeichersystem gemäß Anspruch 1, das ferner eine Sondenspitze (50) aufweist, die konfiguriert ist, um die freiliegende im Wesentlichen planare Schutzoberfläche (38) der zweiten Elektrodenstruktur (32) zu kontaktieren.
  8. Das Molekularspeichersystem gemäß Anspruch 7, bei dem die Sondenspitze (50) eine Kohlenstoffnanoröhre aufweist.
  9. Das Molekularspeichersystem gemäß Anspruch 1, das ferner eine Abtastanordnung (52) aufweist, die ein Array von Sondenspitzen (50) aufweist, wobei jede konfiguriert ist, um die freiliegende im Wesentlichen planare Schutzoberfläche (38) der zweiten Elektrodenstruktur (34) zu kontaktieren.
  10. Das Molekularspeichersystem gemäß Anspruch 9, das ferner eine Betätigungsvorrichtung (60) aufweist, die mit dem Array von Sondenspitzen (50) gekoppelt und konfiguriert ist, um die Position der Sondenspitzen (50) einzustellen, um einen Kontakt zwischen jeder Sondenspitze (50) und der freiliegenden im Wesentli chen planaren Oberfläche (38) der zweiten Elektrodenstruktur (34) aufrechtzuerhalten.
  11. Das Molekularspeichersystem gemäß Anspruch 9, bei dem die Abtastanordnung (59) konfiguriert ist, um das Sondenspitzenarray (50) abtastend über die freiliegende im Wesentlichen planare Schutzoberfläche (38) der zweiten Elektrodenstruktur (34) zu bewegen.
  12. Das Molekularspeichersystem gemäß Anspruch 11, das ferner eine Lese-/Schreibsteuerung (54) aufweist, die konfiguriert ist, um das Anlegen von Spannungssignalen durch die Abtastanordnungssondenspitzen (50) und zwischen der ersten Elektrodenstruktur (32) und den Elektroden (14) der zweiten Elektrodenstruktur (34) zu steuern.
  13. Das Molekularspeichersystem gemäß Anspruch 12, bei dem die Molekularaufzeichnungsschicht (16) eine Speichereigenschaft aufweist, die selektiv einen ersten und einen zweiten Speicherzustand mit unterschiedlichen Strom-Spannung-Charakteristika hält, und einen Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Speicherzustand auf ein Anlegen einer Zustandsänderungsspannung über die Aufzeichnungsschicht (16) hin aufweist.
  14. Das Molekularspeichersystem gemäß Anspruch 13, bei dem die Lese-/Schreibsteuerung (54) konfiguriert ist, um ein Anlegen einer Erfassungsspannung zum Bestimmen eines Lokalspeicherzustands der Molekularaufzeichnungsschicht (16) zu steuern und das Anlegen einer Zustandsänderungsspannung zum Ändern eines Lokalspeicherzustands der Molekularaufzeichnungsschicht (16) zu steuern.
  15. Das Molekularspeichersystem gemäß Anspruch 1, das ferner ein Schmiermittel (70) aufweist, das über der freiliegenden im Wesentlichen planaren Schutzoberflä che (38) der zweiten Elektrodenstruktur (34) angeordnet ist.
  16. Ein Molekularspeicherverfahren, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Molekularspeichersystems (30), wie dasselbe in einem der Ansprüche 1 bis 15 definiert ist; Kontaktieren eines Sondenarrays (50) gegen die freiliegende im Wesentlichen planare Schutzoberfläche (38) der zweiten Elektrodenstruktur (34); und abtastendes Bewegen des kontaktierenden Sondenspitzenarrays (50) über die freiliegende im Wesentlichen planare Schutzoberfläche (38) der zweiten Elektrodenstruktur (34).
  17. Das Molekularspeicherverfahren gemäß Anspruch 16, das ferner ein Anlegen einer Erfassungsspannung über die Molekularaufzeichnungsschicht (16) zum Bestimmen eines Lokalspeicherzustands der Molekularaufzeichnungsschicht (16) aufweist.
  18. Das Molekularspeicherverfahren gemäß Anspruch 16, das ferner ein Anlegen einer Zustandsänderungsspannung über die Molekularaufzeichnungsschicht (16) zum Ändern eines Lokalspeicherzustands der Molekularaufzeichnungsschicht (16) aufweist.
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