專利名稱：一種封閉型雙層納米碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種存儲(chǔ)單元，具體是一種封閉型雙層納米碳管分子 5級(jí)存儲(chǔ)單元。
背景技術(shù)：
基于Top-Down思路的硅基存儲(chǔ)技術(shù)，芯片元件的幾何尺寸不能 無(wú)限的縮小下去，當(dāng)達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，現(xiàn)行的硅基存儲(chǔ)半導(dǎo)體技術(shù)將 失效，因?yàn)樗性S多根本性的問(wèn)題難以解決，譬如，芯片過(guò)熱、電子 io泄漏等。因此摩爾定律預(yù)言，在未來(lái)的10-15年硅基存儲(chǔ)技術(shù)將走到 極限。
為此，各國(guó)科學(xué)家已經(jīng)開始尋找各種其他的方法來(lái)解決這些根本 性的技術(shù)問(wèn)題。其中，基于Bottom-Up的研究思路，直接從原子和分 子級(jí)尺度對(duì)存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行的研究已占據(jù)主導(dǎo)地位，該研究思路被看作 15 是一種替代和補(bǔ)充Top-Down思路的最可行方法。主要的研究代表是 哈佛大學(xué)Lieber和Rueckes等教授2000年提出的靜電雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單 元,并已申請(qǐng)了美國(guó)專利 "Naonoscopic wire-based devices and arrays (基于納米線的裝置和陣列)"。其基本原理是由縱橫兩排單壁納米碳 管正交排列組成，通過(guò)碳管兩端的金屬電極產(chǎn)生的瞬間電流，使上下
20碳管在交叉處產(chǎn)生排斥或吸引的靜電力，從而使碳管形成"開"或"關(guān)"
的狀態(tài)而構(gòu)成一個(gè)納米級(jí)存儲(chǔ)單元。這項(xiàng)研究受到了 Intel等公司的 重視，但這種結(jié)構(gòu)主要有以下缺陷(1)要精確地垂直正交布置兩根 單層碳納米管，并保持一定的垂直間距，具有一定難度；(2)這種機(jī) 械式的高頻周期變形，可能會(huì)導(dǎo)致碳管的脫落或損傷，降低工作壽命; 25 (3)這種存儲(chǔ)單元是易失性的，在切斷電源后，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)也將丟失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種封閉型雙層納米碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元， 以解決現(xiàn)有技術(shù)中靜電雙穩(wěn)態(tài)納米碳管存儲(chǔ)單元存在的上述缺陷。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提出一種封閉型雙層納米 碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元，該存儲(chǔ)單元包括 5 內(nèi)外管均封閉的雙層納米碳管，平放于絕緣基體之上，且內(nèi)層碳
管的長(zhǎng)度小于外層碳管；
第一、第二電極，沉積于所述雙層納米碳管的前后兩端，且電極 平面與碳管的軸向垂直；在所述第一、第二電極間的電壓驅(qū)動(dòng)下，所
述內(nèi)層碳管可在外層碳管內(nèi)作無(wú)接觸的運(yùn)動(dòng)； io第三、第四電極，沉積于所述雙層納米碳管的前端左右兩側(cè)；第 五、第六電極，沉積于所述雙層納米碳管的后端左右兩側(cè)；且電極平 面與碳管的軸向平行；
所述第一、第二電極與寫入電路連接，控制所述內(nèi)層碳管停留在 所述外層碳管的前端或后端，并分別定義為"0"或"1";所述第三、 15第四電極及第五、第六電極與讀取電路連接，通過(guò)檢測(cè)不同的輸出信 號(hào)測(cè)定所述內(nèi)層碳管所處的不同位置，進(jìn)而讀出數(shù)據(jù)"0"或"1"。
上述的封閉型雙層納米碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元中，所述外層碳管的 前端及后端為所述內(nèi)層碳管在外層碳管的兩個(gè)最小勢(shì)能點(diǎn)。
上述的封閉型雙層納米碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元中，將內(nèi)層碳管在外 20層碳管前端第三、第四電極之間的位置設(shè)定為"0"狀態(tài)，在外層碳 管后端第五、第六電極之間的位置設(shè)定為"1"狀態(tài)，則
在所述第一、第二電極之間施加正向電壓時(shí)，內(nèi)層碳管將移向第 二電極并停留在第五、第六電極之間，所述存儲(chǔ)單元記錄的數(shù)據(jù)為
"1 "，
25 在所述第一、第二電極之間施加負(fù)向電壓時(shí)，內(nèi)層碳管將移向第
一電極并停留在第三、第四電極之間，則所述存儲(chǔ)單元記錄的數(shù)據(jù)為
"0"。
上述的封閉型雙層納米碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元中，所述讀取電路通 過(guò)檢測(cè)由于電容大小導(dǎo)致的充電速度、充電時(shí)間測(cè)定所述內(nèi)層碳管所 處的不同位置，
如果第三、第四電極之間的充電速度慢、充電時(shí)間長(zhǎng)，則判定所 5述內(nèi)層碳管位于外層碳管前端，從而讀出數(shù)據(jù)"0";
如果第五、第六電極之間的充電速度慢、充電時(shí)間長(zhǎng)，則判定所 述內(nèi)層碳管位于外層碳管后端，從而讀出數(shù)據(jù)"1"。
上述的封閉型雙層納米碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元中，所述雙層納米碳 管通過(guò)碳納米豌豆高溫加熱合成。 10 上述的封閉型雙層納米碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元中，所述內(nèi)層碳管通
過(guò)若干個(gè)離子化的富勒烯分子高溫聚合而成。
本發(fā)明的技術(shù)方案通過(guò)碳管分子間的運(yùn)動(dòng)，利用納米碳管獨(dú)特的 電學(xué)、力學(xué)性質(zhì)，設(shè)計(jì)出雙穩(wěn)態(tài)分子存儲(chǔ)單元，屬于相對(duì)簡(jiǎn)單的準(zhǔn)一
維結(jié)構(gòu)，容易組裝；存儲(chǔ)單元尺寸小，具有很高的集成密度；內(nèi)管在 15 外管內(nèi)部運(yùn)動(dòng)十分穩(wěn)定，幾乎無(wú)應(yīng)力應(yīng)變，且不受外界其他粒子的干 擾，具有較高的工作壽命；同時(shí)具有非易失性，既可以設(shè)計(jì)為隨機(jī)存 -儲(chǔ)器，也可以設(shè)計(jì)為永久性存儲(chǔ)器。


圖1為本發(fā)明封閉型雙層納米碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元實(shí)施例的立
20 體結(jié)構(gòu)示意圖2為圖l所示實(shí)施例的俯視結(jié)構(gòu)示意圖3A、 3B分別為圖l所示實(shí)施例的"0"、 "1"狀態(tài)示意圖4為圖l所示實(shí)施例的勢(shì)能與內(nèi)管位置關(guān)系圖5為圖1所示實(shí)施例的內(nèi)管受到范德華力與內(nèi)管位置關(guān)系25 圖6為圖l所示實(shí)施例寫入數(shù)據(jù)"1"的正向電壓施加示意圖7為圖l所示實(shí)施例寫入數(shù)據(jù)"0"的負(fù)向電壓施加示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明中封閉的雙層碳納米管，可以通過(guò)碳納米豌豆(carbon nanopeapod)高溫加熱合成，并且碳納米豌豆中的富勒烯球可以摻雜 一些其他離子，使得內(nèi)層碳管具有電荷性質(zhì)。在本實(shí)例中，外層碳管 5管長(zhǎng)7.3nm，管徑1.35nm,內(nèi)層碳管管長(zhǎng)2.1nm，管徑0.67nm。內(nèi)層 碳管是3K+(^C180,由3個(gè)離子化的富勒烯球(K+@C60)合成。
結(jié)合圖l、圖2所示，碳管分子被放置在絕緣基體9上，由于碳 管分子與基體表面的相互作用，外管7被固定在基體9上，內(nèi)管8可 以在外管7內(nèi)作軸向的前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電極l、 2沉積在外管的前后
io 兩端，電極1、 2距離外管7兩端的距離選擇lnm，電極3安放在外 管7的右前側(cè)，電極3中心離外管前端1.5nm，電極平面離外管管壁 lnm。電極4安放在外管7的左前側(cè)，電極4中心離外管前端1.5nm， 電極平面離外管管壁lnm。電極5安放在外管7的右后側(cè)，電極5中 心離外管后端1.5nm，電極平面離外管管壁lnm。電極6安放在外管
15 7的左后側(cè)，電極6中心離外管后端1.5nm，電極平面離外管管壁lnm。 所有金屬電極的平面尺寸選擇1.5xl.5nm,厚度lnm。
上述存儲(chǔ)單元的工作原理如下在電極l、 2間的電壓驅(qū)動(dòng)下， 內(nèi)管8可以在外管7內(nèi)部作無(wú)接觸的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。由于內(nèi)管8在外管7 內(nèi)部存在兩個(gè)最小勢(shì)能點(diǎn)(如圖4、圖5所示)，分別位于外管7的
20 前后兩端，因此，系統(tǒng)是雙穩(wěn)態(tài)的，內(nèi)管8最終可以停留在這兩個(gè)穩(wěn) 定平衡點(diǎn)上，具有非易失性。內(nèi)管8位置的不同，會(huì)影響電極3、 4 間以及電極5、 6間的電容性質(zhì)，將內(nèi)管8在前后兩個(gè)平衡點(diǎn)的位置 分別定義"0"、 "1"兩個(gè)狀態(tài)，則納米碳管存儲(chǔ)單元可通過(guò)超高速脈 沖電壓，實(shí)現(xiàn)幾十GHz以上的讀寫操作頻率。本發(fā)明存儲(chǔ)單元實(shí)施
25例的工作過(guò)程具體如下所述。
電極l、 2連接在寫控制電源上，當(dāng)寫控制電源在電極l、 2之間 施加正向電壓(如圖6所示)，即電極l為高電勢(shì)，電極2為低電勢(shì)
是，內(nèi)管8就會(huì)受到一個(gè)正向的靜電場(chǎng)力，使內(nèi)管8朝電極2方向移
動(dòng)，并最終停留在電極5、 6之間。相反，當(dāng)寫控制電源在電極l、 2 之間施加負(fù)向電壓(如圖7所示)，即電極l為低電勢(shì)，電極2為高 電勢(shì)，內(nèi)管8就會(huì)受到一個(gè)負(fù)向的靜電場(chǎng)力，使內(nèi)管8朝電極1方向 5移動(dòng)，并最終停留在電極3、 4之間。
由于內(nèi)管8位置不同，會(huì)使碳管的電學(xué)性質(zhì)不同。當(dāng)內(nèi)管8處在 電極3、 4之間時(shí)，電極3、 4之間的電容值比沒有內(nèi)管8在電極3、 4之間時(shí)要大，電子疏運(yùn)性質(zhì)也會(huì)不同。同樣，當(dāng)內(nèi)管8處在電極5、 6之間時(shí)，電極5、 6之間的電容值比沒有內(nèi)管8在電極3、 4之間時(shí)
io要大，電子疏運(yùn)性質(zhì)也會(huì)不同。將電極3、 4和電極5、 6接入讀電路， 當(dāng)施加讀電源時(shí)，由于內(nèi)管位置不同，輸出信號(hào)不同。例如，內(nèi)管8 在電極3、 4時(shí)，電極3、 4之間的電容比電極5、 6之間的電容大， 電極3、 4的充電速度快，充電時(shí)間比電極5、 6短。根據(jù)輸出信號(hào)的 不同，可以測(cè)定內(nèi)管處在的位置。
15 將內(nèi)管8在電極3、 4之間設(shè)定為"0"狀態(tài)(如圖3A所示)，
內(nèi)管在電極5、 6之間設(shè)定為"1"狀態(tài)(如圖3B所示)。在電極l、 2之間施加正向電壓，內(nèi)管8將移向電極2，并停留在電極5、 6之間， 數(shù)據(jù)"1"被記錄在存儲(chǔ)單元中。反之，在電極l、 2之間施加負(fù)向電 壓，內(nèi)管8將移向電極1，并停留在電極3、 4之間，數(shù)據(jù)"0"被記
20錄在存儲(chǔ)單元中。由于內(nèi)管8停留的位置是系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)，如果 沒有新的寫控制電壓輸入，內(nèi)管8的位置不會(huì)改變，即使切斷電路電 源，內(nèi)管8也將繼續(xù)停留在原平衡點(diǎn)處，因此本存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)不會(huì) 輕易丟失，是非易失性存儲(chǔ)單元。讀控制電路由電極3、 4、 5、 6等 組成，根據(jù)輸出信號(hào)的不同，可以測(cè)定出內(nèi)管8的位置，進(jìn)而讀出存
25 儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)。如果電極3、 4間的充電速度慢，充電時(shí)間長(zhǎng)，則判 定內(nèi)管8在電極3、 4之間，存儲(chǔ)單元記錄數(shù)據(jù)為"0";相反，如果 電極5、 6間的充電速度慢，充電時(shí)間長(zhǎng)，則判定內(nèi)管8在電極5、 6
之間，存儲(chǔ)單元記錄數(shù)據(jù)為"1"。
如上所述，對(duì)本發(fā)明的示范性實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，不過(guò)實(shí)例 中的參數(shù)僅針對(duì)本實(shí)例。對(duì)于其他尺寸的內(nèi)外管組合，可以有不用的 參數(shù)配置，如金屬電極的位置，內(nèi)外管的長(zhǎng)度差等。 5 總之，本發(fā)明的封閉性雙層碳納米管分子存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺
寸小，工作狀態(tài)穩(wěn)定，受外界影響小，工作壽命高，而且具有非易失 性。在超高頻寫控制電壓的作用下，可以實(shí)現(xiàn)幾十GHz的讀寫存取 速度。雖然本發(fā)明主要針對(duì)存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì)和工作機(jī)理，但隨著微納 電路設(shè)計(jì)技術(shù)不斷發(fā)展，可以設(shè)計(jì)成至少1012單元/厘米2以上集成密 10度的分子級(jí)存儲(chǔ)器，是未來(lái)分子級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展的一大突破。
以上為本發(fā)明的最佳實(shí)施方式，依據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員能夠顯而易見地想到一些雷同、替代方案，均應(yīng)落入 本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種封閉型雙層納米碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元，其特征在于，該存儲(chǔ)單元包括內(nèi)外管均封閉的雙層納米碳管，平放于絕緣基體之上，且內(nèi)層碳管的長(zhǎng)度小于外層碳管；第一、第二電極，沉積于所述雙層納米碳管的前后兩端，且電極平面與碳管的軸向垂直；在所述第一、第二電極間的電壓驅(qū)動(dòng)下，所述內(nèi)層碳管可在外層碳管內(nèi)作無(wú)接觸的運(yùn)動(dòng)；第三、第四電極，沉積于所述雙層納米碳管的前端左右兩側(cè)；第五、第六電極，沉積于所述雙層納米碳管的后端左右兩側(cè)；且電極平面與碳管的軸向平行；所述第一、第二電極與寫入電路連接，控制所述內(nèi)層碳管停留在所述外層碳管的前端或后端，并分別定義為“0”或“1”；所述第三、第四電極及第五、第六電極與讀取電路連接，通過(guò)檢測(cè)不同的輸出信號(hào)測(cè)定所述內(nèi)層碳管所處的不同位置，進(jìn)而讀出數(shù)據(jù)“0”或“1”。
2、 如權(quán)利要求1所述的封閉型雙層納米碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元， 其特征在于，所述外層碳管的前端及后端為所述內(nèi)層碳管在外層碳管 的兩個(gè)最小勢(shì)能點(diǎn)。
3、如權(quán)利要求1所述的封閉型雙層納米碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元，其特征在于，將內(nèi)層碳管在外層碳管前端第三、第四電極之間的位置 設(shè)定為"0"狀態(tài)，在外層碳管后端第五、第六電極之間的位置設(shè)定 為"1"狀態(tài)，貝U在所述第一、第二電極之間施加正向電壓時(shí)，內(nèi)層碳管將移向第 25二電極并停留在第五、第六電極之間，所述存儲(chǔ)單元記錄的數(shù)據(jù)為 T;在所述第一、第二電極之間施加負(fù)向電壓時(shí)，內(nèi)層碳管將移向第 一電極并停留在第三、第四電極之間，則所述存儲(chǔ)單元記錄的數(shù)據(jù)為 "0"。
4、 如權(quán)利要求3所述的封閉型雙層納米碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元， 其特征在于，所述讀取電路通過(guò)檢測(cè)由于電容大小導(dǎo)致的充電速度、 充電時(shí)間測(cè)定所述內(nèi)層碳管所處的不同位置， 如果第三、第四電極之間的充電速度慢、充電時(shí)間長(zhǎng)，則判定所述內(nèi)層碳管位于外層碳管前端，從而讀出數(shù)據(jù)"0";如果第五、第六電極之間的充電速度慢、充電時(shí)間長(zhǎng)，則判定所 述內(nèi)層碳管位于外層碳管后端，從而讀出數(shù)據(jù)"1"。
5、 如權(quán)利要求1 4所述的封閉型雙層納米碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元， 其特征在于，所述雙層納米碳管通過(guò)碳納米豌豆高溫加熱合成。
6、 如權(quán)利要求5所述的封閉型雙層納米碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元， 其特征在于，所述內(nèi)層碳管通過(guò)若干個(gè)離子化的富勒烯分子高溫聚合 而成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種封閉型雙層納米碳管分子級(jí)存儲(chǔ)單元，包括內(nèi)外管均封閉的雙層納米碳管，平放于絕緣基體之上，且內(nèi)層碳管的長(zhǎng)度小于外層碳管；第一、第二電極，沉積于所述雙層納米碳管的前后兩端，且電極平面與碳管的軸向垂直；在所述第一、第二電極間的電壓驅(qū)動(dòng)下，所述內(nèi)層碳管可在外層碳管內(nèi)作無(wú)接觸的運(yùn)動(dòng)；第三、第四電極，沉積于所述雙層納米碳管的前端左右兩側(cè)；第五、第六電極，沉積于所述雙層納米碳管的后端左右兩側(cè)；且電極平面與碳管的軸向平行。本發(fā)明的技術(shù)方案通過(guò)碳管分子間的運(yùn)動(dòng)，利用納米碳管獨(dú)特的電學(xué)、力學(xué)性質(zhì)，設(shè)計(jì)出雙穩(wěn)態(tài)分子存儲(chǔ)單元，容易組裝，具有很高的集成密度及較長(zhǎng)的工作壽命，同時(shí)具有非易失性。
文檔編號(hào)G11C13/00GK101354913SQ20081011970
公開日2009年1月28日 申請(qǐng)日期2008年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月5日
發(fā)明者葉森斌, 韓平疇 申請(qǐng)人:北京大學(xué)