DE60028343T2 - Nanokapseln mit geladenen teilchen, deren verwendung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Nanokapseln mit geladenen teilchen, deren verwendung und verfahren zu ihrer herstellung Download PDF

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Description

  • QUERVERWEIS AUF ZUSAMMENHÄNGENDE ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht Vorrang gegenüber der vorläufigen am 12. Februar 1999 eingereichten US-Anmeldung mit der Seriennummer 60/120,023.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikro-Speicherelemente und insbesondere auf Speicherelemente im Nanomaßstab, die aus Kohlenstoff-Nanoröhren bestehen und geladene Partikel enthalten.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Kohlenstoffnanoröhren, die aus nahtlosen und atomar perfekten Graphitzylindern von nur wenigen Nanometern Durchmesser bestehen, wurden schon in großen Mengen synthetisiert. Die ungewöhnliche Kombination aus ihrer molekularen Struktur und ihrer Länge in der Größenordnung von Mikrometern führt zu den außergewöhnlichen Eigenschaften dieser Systeme. Elektrische Transportmechanismen für einzelne Nanoröhren weisen darauf hin, daß sich diese Systeme wie echte Quantendrähte, nichtlineare elektronische Bauelemente oder Transistoren verhalten.
  • In WO 98/39250A wird ein Speicherelement im Nanomaßstab beschrieben, wie es in der Präambel von Anspruch 1 genannt wird. Beschrieben wird ein nichtflüchtiges Speicherelement im Nanomaßstab in Form eines geschlossenen röhrenförmigen Moleküls, das eine eingeschlossene molekulare Einheit enthält, die dazu gebracht werden kann, sich unter externer Steuerung in der Röhre vorwärts und rückwärts zu bewegen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Computersimulationen lassen darauf schließen, daß Nanoröhren, die mindestens ein geladenes Partikel enthalten, ansonsten hierin als Bucky-Shuttles bezeichnet werden, ein ungewöhnliches dynamisches Verhalten zeigen, was solche Mechanismen für Speicherelemente im Nanomaßstab verwendbar macht. Solche Speicherelemente im Nanomaßstab verbinden hohe Schaltgeschwindigkeit mit hoher Packungsdichte und Stabilität sowie mit Nichtflüchtigkeit der gespeicherten Daten.
  • Die Mechanismen im Nanomaßstab, die mindestens ein geladenes Partikel enthalten, im allgemeinen im Form eines in mindestens einer Kohlenstoffröhre enthaltenen Fullerenmoleküls, lassen sich thermisch durch Glühen von Diamantpulver mit einem mittleren Durchmesser von 4–6 nm nach einem von der Toron Company, Ltd. veröffentlichten Detonationsverfahren produzieren. Nach diesem Detonationsverfahren wird Diamantpulver in einem Graphit-Schmelztiegel in einer inerten Argon-Atmosphäre für eine Stunde auf 1800°C erhitzt. Durch diese Behandlung wird das Diamantpulver in Graphit-Nanostrukturen umgewandelt, wie auf Bildern zu sehen ist, die mit dem Transmissionselektronenmikroskop aufgenommen wurden. Interessanterweise besteht ein großer Teil des nach diesem Verfahren hergestellten Materials aus mehrwandigen Kapseln.
  • Andere Bucky-Shuttle-Strukturen, die manchmal auch als "Nano-Peapods" ("Nano-Erbsenschoten") bezeichnet werden und der in 5 gezeigten Struktur ähneln, lassen sich durch Säurepurifizierungs-Kohlenstoff-Nanoröhren synthetisieren, die durch die gepulste Laserablation eines mit einem Ni/Co-Katalysator von 1,2% imprägnierten Graphit-Targets hergestellt wurden, wie Smith et al. in NATURE, 396, 323 (1998) berichten. In ähnlicher Weise wurden Nano-Peapods auch durch Kohlenstoff-Bogenentladung mit ca. 5% Ni/Y als Katalysator hergestellt, wie Luzzi et al. in "Science and Application of Nanotubes", S. 67 (2000) berichten.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Strukturmodell eines Nanomechanismus, das eine in einer C480-Nanobaugruppe enthaltene geladene K@C+60-Nanoanordnung enthält;
  • 2 ist ein Diagramm, das die potentielle Energie von K@C+60 als Funktion seiner Position bezüglich der Nanoanordnung in einem Nullfeld (durchgehende Linie) und einem geschalteten Feld Es = 0,1 V/Ả (gestrichelte Linien) veranschaulicht;
  • 3a ist eine schematische Draufsicht einer Speicherkarte mit hoher Speicherdichte;
  • 3b ist eine schematische Seitenansicht einer Speicherkarte mit hoher Speicherdichte, welche eine zwischen den Leitern b und C angelegten Schaltspannung veranschaulicht, wobei die zugehörige Bit-Information in dem schattiert dargestellten Element "bC" gespeichert wird;
  • 4a zeigt eine Molekulardynamik-Simulation des Schaltvorgangs von "Bit 0" zu "Bit 1", wenn entlang der Achse der Nanoanordnung ein konstantes elektrisches Feld von 0,1 V/Ả angelegt wird, wobei die Position einer geladenen Nanostruktur bezüglich der Nanoanordnung eine Funktion der Zeit ist;
  • 4b veranschaulicht die Änderungen in der potentiellen Energie und der kinetischen Energie als Funktion der Zeit, wobei die obere Linie die kinetische Energie ist, während die untere Linie die potentielle Energie ist und die mittlere Linie die kinetische Energie der geladenen Nanostruktur bezüglich der Nanoanordnung ist;
  • 4c veranschaulicht die Schwingungstemperatur der Nanoanordnung und der geladenen Nanostruktur als Funktion der Zeit;
  • 5 ist eine Seiten-Querschnittsansicht einer alternativen Nanomechanismus-Konfiguration, die gemäß den Ausführungen der vorliegenden Erfindung als Datenspeicherelement verwendbar ist;
  • 6 ist eine Seitenansicht einer alternativen Nanomechanismus-Konfiguration, die gemäß den Ausführungen der vorliegenden Erfindung als Datenspeicherelement verwendbar ist;
  • 7 ist eine Seitenansicht eines Speicherelements im Nanomaßstab, beinhaltend einen Nanomechanismus mit bestimmten leitenden und nichtleitenden Segmenten und einem doppelten Elektrodenaktivator zur Bewerkstelligung einer Umschaltung zwischen verschiedenen Zuständen;
  • 8 ist eine Seitenansicht eines Speicherelements im Nanomaßstab, beinhaltend einen Nanomechanismus mit bestimmten leitenden und nichtleitenden Segmenten und einem dreifachen Elektrodenaktivator zur Bewerkstelligung einer Umschaltung zwischen verschiedenen Zuständen;
  • 9 ist eine perspektivische Ansicht eines Speicherelements im Nanomaßstab, beinhaltend mehrere Nanomechanismen, die sich zwischen einem doppelten Elektrodenaktivator erstrecken;
  • 10 ist eine perspektivische Ansicht eines Vier-Bit-Arrays von Speicherelementen im Nanomaßstab;
  • 11 ist eine schematische Ansicht der Schaltung zur Adressierung eines Speicherelements im Nanomaßstab gemäß den Ausführungen der vorliegenden Erfindung;
  • 12 ist eine schematische Ansicht eines Speicherelements im Nanomaßstab mit einer Elektrode, die an einem ersten Ende mit einem Nanomechanismus und am zweiten Ende mit einer Spannungsquelle verbunden ist;
  • 13 ist eine schematische Ansicht eines Speicherelements im Nanomaßstab mit einem Laseraktivator zur Erzeugung eines Nettostromes zur Verlagerung der Nanostruktur innerhalb der Nanoanordnung und somit zum Umschalten zwischen Zuständen;
  • 14 ist eine schematische Ansicht eines Speicherelements im Nanomaßstab, beinhaltend einen Detektor zum Messen des elektrischen Widerstands um zwischen den Zuständen zu unterscheiden;
  • 15 ist eine schematische Ansicht eines Speicherelements im Nanomaßstab, beinhaltend einen Polaritätsdetektor zum Messen der Polarität um zwischen den Zuständen zu unterscheiden;
  • 16 ist eine schematische Ansicht eines Speicherelements im Nanomaßstab beinhaltend einen Nanosonden-Detektor zum Messen lokaler Änderungen der Elektronenverteilung oder elastischer Verformungen um zwischen den Zuständen zu unterscheiden;
  • 17 ist eine schematische Ansicht eines Speicherelements im Nanomaßstab im Zustand "Bit 0", in welchem die lichtundurchlässige Nanostruktur einen Lichtstrahl gegen Transmission durch einen transparenten Abschnitt der Nanoanordnung sperrt; und
  • 17A ist eine schematische Ansicht eines Speicherelements im Nanomaßstab im Zustand "Bit 1", in welchem die lichtundurchlässige Nanostruktur einen Lichtstrahl nicht sperrt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Unter Bezug auf 1 ist ein Nanomechanismus 10 für den Einsatz in einem Nanomaßstab-Speicherelement dargestellt und beinhaltet ein erstes Element 12 in Form einer Nanoanordnung 14 mit einem Hohlraum 16 sowie ein zweites Element 18 in Form einer Nanostruktur 20, welche beweglich im Hohlraum angeordnet ist.
  • Obwohl der Nanomechanismus bezüglich der Bewegung der Nanostruktur relativ zur Nanoanordnung beschrieben wird, sollte der Fachmann wissen, daß die Nanostruktur in einer festen Position gehalten werden kann, zu welcher die Nanoanordnung relativ bewegt wird, um eine Zustandsänderung der nachstehend beschriebenen Art zu bewirken. Zudem versteht es sich voll und ganz, daß die Nanostruktur und die Nanoanordnung so konfiguriert werden können, daß beide beweglich sind. Zur Veranschaulichung ist die Nanoanordnung als C480-Kapsel und die Nanostruktur als geladenes C60-Fulleren-Molekül dargestellt. Für den Fachmann sei angemerkt, daß die Nanostruktur 20 auch in Form anderer geladener Partikel, Moleküle oder Nanoröhren vorliegen kann, sofern diese im Hohlraum einer Nanoröhren-Nanoanordnung untergebracht werden können. Ferner können, wie in 6 gezeigt, zwei oder mehr Nanostrukturen, die mit den Referenznummern 20 und 20A gekennzeichnet sind, innerhalb einer einzigen Nanoanordnung untergebracht sein. Es wurde festgestellt, daß der oben beschriebene Nanomechanismus in Nanospeicherelementen 30 wie denen in den 1, 3, 7, 8 und 9 zum schnellen und zuverlässigen Schreiben und Lesen von Informationen eingesetzt werden kann. Überdies können die Daten leicht analysiert und nichtflüchtig gespeichert werden.
  • Die Energetik des C60-Moleküls innerhalb der C480-Kapsel ist in 2 dargestellt. Die Enden der äußeren Kapsel bilden Hälften des C240-Fullerens, einer bevorzugten Struktur, um ein C60-Molekül bei einer Wand-zu-Wand-Distanz von 3,4 Ả zu halten. Diese Endkappen schließen sich übergangslos an den zylindrischen Teil der Kapsel an, der ein 1,5 nm langes Segment der Nanoröhre bildet. Die Wechselwirkung zwischen dem unmodifizierten C60-Molekül und der umschließenden Kapsel ähnelt derjenigen, die in Graphit, C60-Kristallen und Nanoröhrenbündeln anzutreffen ist; dies bedeutet, daß sie von einer Van-der-Waals- und einer schwachen kovalenten Wand-zu-Wand-Wechselwirkung dominiert wird, die proportional zur Kontaktfläche zwischen den Bestandteilen ist. Eine zusätzliche Spiegelladungs-Wechselwirkung, die von der C60-Position fast unabhängig ist, tritt auf, wenn das C60-Molekül eine positive Nettoladung trägt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Van-der-Waals-Wechselwirkung das C60-Molekül an beiden Enden der Kapsel stabilisiert, wo die Kontaktfläche am größten ist. Dies spiegelt sich in dem in 2 dargestellten potentiellen Energieverhalten wider und resultiert in der Wahrscheinlichkeit, daß C60 in der Nähe der Kapselenden zu finden ist. In Anbetracht der vorangegangenen Ausführungen wird nunmehr das Konzept beschrieben, einen Nanomechanismus als Medium zum Speichern von Informationen zu verwenden.
  • Um die Nanostruktur 20 am effizientesten von einem Ende der Nanoanordnung 14 zum anderen zu bewegen (was das molekulare Analogon zum Schreiben ist) und seine Position innerhalb der Nanoanordnung zu bestimmten (das molekulare Analogon zum Lesen), sollte die in der Nanoanordnung enthaltene Nanostruktur eine Nettoladung tragen. Diese Nettoladung kann beispielsweise bewirkt werden, indem ein K@C60-Komplex verwendet wird, der unter Synthesebedingungen unter Anwesenheit von Kalium (K) spontan gebildet werden kann, wobei das Valenzelektron des eingekapselten K-Atoms vollständig auf die C60-Schale übergeht. Wenn der K@C60-Komplex mit der neutralen C480-Nanoanordnung in Kontakt gerät, überträgt er dieses Valenzelektron spontan von der C60-Schale auf die umgebende Nanoanordnung, was bewirkt, daß ein K@C60+-Ion in der C480-Nanoanordnung eingeschlossen wird.
  • Der Schreibvorgang entspricht dem Umschalten des Zustands oder der Gleichgewichtsposition des C60+-Ions zwischen einem ersten Ende 22 der Nanoanordnung, das im folgenden als "Bit 0" bezeichnet wird, und einem zweiten Ende 24 der Nanoanordnung, das im folgenden als "Bit 1" bezeichnet wird. Um eine Zustandsänderung zu bewirken, muß innerhalb des Hohlraums 16 der Nanoanordnung 14 ein elektrisches Feld angelegt werden. Die Nanoanordnung 14 ist vorzugsweise mit einer oder mehreren Elektroden 26 versehen, die während der Bildung der Nanoanordnung angebracht werden, um die Feldabschirmung durch die Nanoanordnung zu reduzieren.
  • Die Energetik von C60+ unter Abwesenheit eines angelegten Feldes und im Umschaltfeld von Es = 0,1 V/Ả, das durch Anlegen einer Spannung von ca. 1,5 V zwischen den Enden der Nanoanordnung erzeugt wird, ist in 2 dargestellt. Eines der lokalen Minima wird oberhalb einer kritischen Feldstärke instabil, was das C60+-Ion veranlaßt, sich in die einzige stabile Position zu bewegen. Da das Umschaltfeld von Es = 0,1 V/Ả relativ schwach ist, sollte es, wenn überhaupt, keine drastischen Auswirkungen auf die Integrität der Nanoanordnung haben, da Graphitstrukturen erst bei Feldstärken von mehr als 3,0 V/Ả zerfallen.
  • Eine andere Möglichkeit zum Verlagern der Nanostruktur innerhalb der Nanoanordnung könnte durch Bestrahlen der Nanoanordnung mit einem Laserstrahl erreicht werden (13), wodurch ein elektrischer Strom induziert wird, der entlang der Nanoanordnung kriecht, wie Kral und Tomanek in den Physical Review Letters 82, 5373 (1999) berichten.
  • In einem anderen Verfahren zum Verlagern der Nanostruktur innerhalb der Nanoanordnung würde die Spitze eines Rastersondenmikroskops (Scanning Probe Microscope) wie z.B. eines Rasterkraftmikroskops (Atomic Force Microscope, AFM) verwendet. Dabei würde eine lokal angelegte Kraft die Nanoanordnung so verformen, daß sich die Nanostruktur von einem Ende zum anderen bewegt.
  • Die physikalisch in der Position der Nanostruktur gespeicherte Information, d.h. das in der Nanoanordnung enthaltene C60+-Ion, ist stabil und bleibt ändert sich nicht, solange im Hohlraum 16 der Nanoanordnung 14 kein stärkeres Feld als das Umschaltfeld vorhanden ist, was in der Nichtflüchtigkeit der gespeicherten Information resultiert. In Anbetracht der Datenspeicherungsfähigkeit der Nanomechanismen gemäß der vorliegenden Erfindung kann die von den Nanomechanismen erzeugte Information auf mehrere Arten gelesen werden. Als Beispiel, das jedoch nicht einschränkend zu verstehen ist, kann eine Lesefunktion realisiert werden, indem der Zustand des Elements durch Abfragen seiner Polarität, durch Detektieren der Bewegung der Nanostruktur oder durch Messen ihres Widerstands ermittelt wird.
  • Das Abfragen der Polarität der Nanoanordnung würde eine Aussage über die Nähe der geladenen Nanostruktur innerhalb der Nanoanordnung und somit über ihre Position liefern. Die Polarität kann durch Messen der Differenz des elektrochemischen Potentials zwischen den Enden 22 und 24 ermittelt werden. Zum Messen der Polarität kann, wie in 15 gezeigt, an die beiden Enden des Nanomechanismus ein Spannungsmesser angeschlossen werden. Dieser Spannungsmesser würde dann in Abhängigkeit von der Position der Nanostruktur unterschiedliche Polaritäten detektieren.
  • Bei einem zerstörenden Lesevorgang würde der Stromimpuls in den Anschlußelektroden gemessen, der durch die Bewegung der geladenen Nanostruktur aufgrund einer angelegten Prüfspannung verursacht wird. Der gesamte mit dem Stromimpuls verbundene Ladungstransfer (der im vorliegenden Beispiel ein Elektron beträgt) kann erhöht werden, indem wie in 9 mehrere Nanoanordnungen parallel geschaltet werden, um ein Bit darzustellen, und indem stärker geladene Komplexe wie z.B. La@C82+ verwendet werden, die statt der vom K@C60+-Ion getragenen Nettoladung von +1e eine Nettoladung von +3e tragen. Der Stromimpuls kann unter Verwendung eines Stromverstärkers gemessen werden, der den in DRAM-Zellen verwendeten Differenzverstärkern ähnlich ist. Während es schwierig sein kann, den durch die Bewegung einer einzigen Elektronenänderung hervorgerufenen Strom präzise zu messen, wird diese Messung wesentlich genauer, wenn mehrere Ladungen den Stromimpuls auslösen, wie dies in den nachstehend beschriebenen Array-Ausführungsformen der Fall ist.
  • Bei einem anderen Verfahren zur Durchführung einer Lesefunktion wird eine Nanoanordnung verwendet, die abwechselnd leitende und nichtleitende Segmente 28 beziehungsweise 28A aufweisen. Bei Verwendung einer derartigen Nanoanordnung würde bewirkt, daß sich der Widerstand des gesamten Nanospeicherelements in Abhängigkeit von der Position der (leitenden) Nanostruktur innerhalb der Nanoanordnung verändert. Wenn diese Nanostruktur, wie in 7 gezeigt, entlang dem ersten Ende 22 (links) angeordnet ist, ist der Widerstand des Nanospeicherelements kleiner als für den Fall, daß die Nanostruktur am zweiten Ende 24 (rechts) angeordnet ist. Befindet sich die Nanostruktur am ersten Ende, wirkt sie als elektrische Brücke, über die zwischen den Enden der Nanoanordnung Strom fließen kann. Wenn sich die Nanostruktur dagegen auf der rechten Seite befindet, existiert kein leitender Pfad zwischen den Enden der Nanoanordnung, d.h. es liegt ein höherer Widerstand vor, der gemessen werden kann. Die leitenden und nichtleitenden Segmente der Nanoanordnung 14 können aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt werde, optional auch aus demselben Werkstoff, jedoch in unterschiedlicher atomarer Anordnung, was im Fall von Nanoröhren als Chiralität bezeichnet wird. Der Widerstand kann auf vielerlei Arten gemessen werden, unter anderem beispielsweise durch Hinzufügen eines Widerstand zu den Elektroden in Serie mit dem Nanomechanismus. Eine geringe Potentialdifferenz würde dann sowohl an den Widerstand als auch den Nanomechanismus angelegt, wobei die Differenz zwischen dem Widerstand und dem Nanomechanismus gemessen würde. Die Lesefunktion läßt sich auch bewerkstelligen, indem mehrere gestaffelt angeordnete Elektroden verwendet werden, die wie in den 8 und 14 mit einem Nanomechanismus verbunden sind. Dabei wären erste und zweite Elektroden 26 und 26A an gegenüberliegenden Enden der Nanoanordnung 14 angeordnet und voneinander durch ein oder mehrere isolierende Segmente 28A getrennt; eine dritte Elektrode 26B wäre am Mittelpunkt 40 angeordnet. Vorzugsweise sind alle Elektroden äquidistant von den benachbarten Elektroden angeordnet. Wenn sich die Nanostruktur an einem Ende befindet, schafft sie zwischen diesem Ende und der Elektrode am Mittelpunkt eine Verbindung mit geringem Widerstand, während der Widerstand zwischen der Elektrode am Mittelpunkt und dem anderen Ende hoch bleibt. Daher ist die Position der Nanostruktur detektierbar, indem der Widerstand zwischen der Elektrode am Mittelpunkt und einem Ende mit dem Widerstand zwischen der Elektrode am Mittelpunkt und dem anderen Ende verglichen wird, wobei auf die oben beschriebene Weise ein Widerstand verwendet wird.
  • Bei einem anderen Verfahren zum Detektieren der Position der Nanostruktur innerhalb der Nanoanordnung würde die Spitze eines Rastersondenmikroskops (Scanning Probe Microscope) wie z.B. eines Rasterkraftmikroskops (Atomic Force Microscope, AFM) verwendet. Aufgrund der Tatsache, daß die Nanoanordnung, wie in 16 gezeigt, in der Nähe der Nanostruktur lokal weniger kompressibel ist, würde das Rastersondenmikroskop in der Nähe der Nanostruktur eine unterschiedliche Auslenkung zeigen.
  • Noch ein anderes Verfahren zum Detektieren der Position der Nanostruktur innerhalb der Nanoanordnung beruht auf der Tatsache, daß die lichtundurchlässige Nanostruktur, wenn sie sich nahe dem linken Ende ("Bit 0") der Nanoanordnung befindet, einen Lichtstrahl gegen Transmission durch ein Fenster sperrt, das aus einem transparenten Abschnitt der Nanoanordnung besteht, wie in 17 gezeigt. Wenn sich die Nanostruktur nahe dem rechten Ende ("Bit 1") der Nanoanordnung befindet, wie in 17A gezeigt, wird der Lichtstrahl nicht gesperrt, sondern fällt statt dessen durch dieses Fenster und kann detektiert werden.
  • Im Gegensatz zu den meisten herkömmlichen Festkörper-Schreib-Lese-Speicherelementen (beispielsweise DRAMs oder SRAMs), in denen die Informationen durch eine externe Spannungsquelle erhalten werden müssen, resultiert die oben erwähnte Nichtflüchtigkeit der gespeicherten Information aus einem relativ tiefen Fallenpotential nahe den "Bit 0"- oder "Bit 1"-Enden des Nanomechanismus und ist daher nicht auf eine externe Spannung angewiesen. Die thermische Stabilität und die Nichtflüchtigkeit der Daten hängen von der Tiefe dieses Fallenpotentials ab, das seinerseits durch Ändern des eingekapselten Fullerenkomplexes eingestellt werden kann. Beispielsweise deutet die berechnete Tiefe des Fallenpotentials von 0,24 eV für das K@C60+-Ion nahe den Enden der Nanoanordnung im Nullfeld darauf hin, daß gespeicherte Informationen deutlich über Raumtemperatur stabil bleiben dürften und Temperaturen in der Größenordnung von 3000 K ausgesetzt werden müssen, um zerstört zu werden. Eine weitere Verbesserung der thermischen Stabilität läßt sich durch Verwendung stärker geladener endohedraler Komplexe erreichen, die di- oder trivalente Donoratome enthalten, wie beispielsweise der oben erwähnte La@C823+-Komplex.
  • Werden hohe Speicherdichten angestrebt, so kommt der Adressierbarkeit der gespeicherten Informationen besondere Bedeutung zu. Eine Möglichkeit zur Realisierung einer Speicherkarte mit hoher Speicherdichte ist in 3 dargestellt. Die maximale Dichte wird erreicht, indem die Nanoröhren Speicherelemente wabenförmig gepackt werden. Dabei können Zeilen von Nanoanordnungen oben und unten über "Nanodraht"-Elektroden so miteinander verbunden werden, daß an ihrem Kreuzungspunkt ein einzelnes Speicherelement adressiert wird. Das Anlegen einer Schaltspannung zwischen zwei Kreuzungselektroden [z.B. dem bC-Paar in 3(b)] erzeugt ein Feld, das stark genug ist, um eine Umschaltung nur in diesem [z.B. dem mit bC bezeichneten] Speicherelement zu bewirken, während Felder im Inneren anderer Speicherelemente, insbesondere in den Elementzeilen, die mit der Elektrode c und der Elektrode B verbunden sind, zu schwach sind, um eine Umschaltung auszulösen. Wie in den meisten Festkörper-Speicherelementen, lassen sich nach einem solchen Adressierungsschema viele Speicherelemente parallel adressieren. Diese Anordnung gilt für die oben beschriebenen Schreib- und Lesevorgänge und gestattet das parallele Schreiben und Lesen vieler Bits.
  • Auf ähnliche Weise läßt sich auch eine aus einzelnen Speicherelementen im Nanomaßstab bestehende Matrix als Nanospeicherelement verwenden, wie 10 veranschaulicht. Hier wird eine große Zahl von Nanomechanismen pro Flächeneinheit, wie in Artikeln von A. Thess et al. in SCIENCE, Band 273, Seite 483 (1996), von G. Che et al. in Jpn. J. Appl. Phys., Band 37, Seite 605 (1988) und von S. J. Tans et al. in NATURE, Band 393, Seite 49 (1998) beschrieben, an die Elektrode angeschlossen. Eine ähnliche Technik könnte zur Realisierung einer großen Zahl von Nanomechanismen pro Flächeneinheit angewandt werden, die zwischen zwei leitenden Schichten angeordnet ist und ein einzelnes Bitelement bilden, was in 9 ausführlicher dargestellt ist. Allgemein wird die Anzahl der Nanomechanismen pro Bit von der minimalen Linienbreite des für die Herstellung der Elektroden angewandten Lithographieprozesses abhängen. Beispielsweise könnten bei Lithographieprozessen, in denen mit Leiterbreiten von 70 nm gearbeitet wird, fast 1000 Nanomechanismen zum Speichern eines einzigen Informationsbits verwendet werden. Das Schreiben kann erfolgen, indem man annimmt, daß eine Spannungsdifferenz von 2,0 V die Nanostrukturen von einem Ende der Nanoanordnung zum anderen Ende bewegt (somit wird ein Feld von mindestens etwa 0,1 V/Ả erreicht, das nötig ist, um ein C60+-Ion innerhalb der Nanoanordnung zu bewegen, wenn die Distanz zwischen den beiden Enden weniger als etwa 2 nm beträgt). Um folglich, wie in 10 gezeigt, die Information "Bit 0" in der Speicherelement "4" zu schreiben, legt man ein Potential von +1,0 V an den Draht B an, während man an den Draht D ein Potential von –1,0 V anlegt. Wenn alle anderen Elektroden auf Massepotential gehalten werden, existiert nur am adressierten Element ein ausreichend starkes elektrisches Feld, um die Nanostrukturen innerhalb der Nanoanordnungen zu bewegen. Eine "Bit 1"-Information würde in dieses Element geschrieben, indem die Spannung an denselben Elektroden invertiert wird und alle anderen auf Massepotential gehalten werden. Das Schreiben in eine gesamte Zeile (oder Spalte) wäre ein zweistufiger Vorgang, da die "Bit 0"- und die "Bit 1"-Information zu unterschiedlichen Zeitpunkten geschrieben werden müßten.
  • Die Speicherarrays nach der vorliegenden Erfindung, die von ihrer Beschaffenheit her einen Schreib-Lese-Zugriff gestatten, lassen sich so herstellen, daß sie traditionelle, aus Kondensator-Transistor-Kombinationen bestehende DRAM-Speicherzellen durch eine Speicherzelle ersetzen, die aus einem oder mehreren Nanospeicherelementen bestehen. 11 veranschaulicht ein gegenwärtiges Speicherarray, in dem anstelle von DRAM-Zellen, wie sie heute in Anwendungen der Mikroelektronik verwendet werden, ein Array von Speicherelementen im Nanomaßstab zur Anwendung kommt. Wie man sieht, wählt der Dekoder 50, wie oben beschrieben, zum Lesen und Schreiben die geeignete(n) Leitung(en) 52 aus. Der Multiplexer (MUX) 54 übernimmt von den Nanospeichern die Signale, um sie auszugeben. Dekoder und MUX sind herkömmliche Bauelemente, die sich unter Anwendung herkömmlicher VLSI-Techniken oder aus Nanoröhren herstellen lassen. Es sei nun ein zerstörender Lesevorgang bei einer großen Zahl von Nanoanordnungen pro Flächeneinheit betrachtet. Ein "Wald" aus Nanoanordnungen würde in einer großen Zahl geladener Ionen resultieren, deren Bewegung detektierbar wäre. Während die Daten im Zuge des Lesevorgangs zerstört werden, können die Daten – ähnlich der Verarbeitung von Daten in einem traditionellen DRAM – später zurückgeschrieben werden.
  • Die oben beschriebenen Nanospeicherelemente haben eine Reihe von Nützlichen Eigenschaften. Sie sind nichtflüchtig, das Element selbst schaltet sehr schnell um, und sie scheinen in modernen Lithographieprozessen von Nutzen zu sein.
  • Im Rahmen einer anderen Ausführungsform lassen sich Nanospeicherelemente fertigen, wobei die Metall- oder Polysiliziumelektroden ganz oder teilweise durch "Kohlenstoff-Nanodrähte" ersetzt werden. Diese sogenannten Nanodrähte haben die Form von leitenden Kohlenstoff-Nanoröhren. Nun würde jedes Speicherbit nur ein einziges Speicherelemente im Nanomaßstab nutzen. Das Lesen und Schreiben der Daten in den Nanospeicherelementen würde bewerkstelligt, wie es in dem Beispiel, das jedoch nicht einschränkend zu verstehen ist, oben beschrieben wurde und in 11 veranschaulicht ist.
  • Zur Untersuchung der Effizienz des Schreibvorgangs haben wir eine Molekulardynamik-Simulation des Schaltvorgangs von "Bit 0" zu "Bit 1" im mikrokanonischen Ensemble der C60+@C480-Nanoanordnung durchgeführt. Dabei verwendeten wir eine LCAO-Totalenergie, die funktional um Fernbereichs-Van-der-Waals-Wechselwirkungen erhöht wurde. Unser Ansatz zur Ermittlung der auf einzelne Atome wirkenden Kräfte war schon zuvor mit Erfolg zur Beschreibung der Zerfallsdynamik von Fullerenen und des Wachstums mehrwandiger Nanoröhren verwendet worden. Ein Zeitschritt von 5 × 10–16 s und ein Runge-Kutta-Interpolationsschema wurden angewandt, um einen Totalenergieerhalt von ΔE/E ≈< 10–10 zwischen aufeinanderfolgenden Zeitschritten zu garantieren.
  • Die Ergebnisse unserer Simulation sind in 4 dargestellt. Zunächst wird die Nanostruktur 20 (C60+-Ion) nahe der "Bit 0"-Position links ins Gleichgewicht gebracht. Zum Zeitpunkt t = 0 wird ein konstantes elektrisches Feld von 0,1 V/Ả entlang der Achse der Nanoanordnung 14 angelegt. Die ursprünglich stabile "Bit 0"-Konfiguration wird, wie in 2 dargestellt, in der modifizierten Totalenergiefläche instabil. Das C60+-Ion erfährt eine konstante Beschleunigung nach rechts und erreicht die "Bit 1"-Position nur 4 Picosekunden (ps) später, wie in 4(a) dargestellt. Während dieses Umschaltvorgangs wird die vom C60+-Ion verlorene potentielle Energie, wie in 4(b) dargestellt, in kinetische Energie umgewandelt. Aufgrund der geringen (wenn auch nicht vernachlässigbaren) Wechselwirkung zwischen der Nanostruktur (C60+-Ion) und der Nanoanordnung (Nanoröhre) tritt die gewonnene kinetische Energie anfänglich als Starrkörper-Translationsenergie der Nanostruktur in Erscheinung. Ein fast vernachlässigbarer Energietransfer in die inneren Freiheitsgrade aufgrund von Reibung in atomarem Maßstab, die sich in einer sehr geringen Erhöhung der Schwingungstemperatur manifestiert, wie in 4(c) gezeigt, wird in dieser ersten Stufe des Umschaltvorgangs beobachtet.
  • Etwa vier Picosekunden (ps) nach dem Anlegen des Umschaltfeldes erreicht die Nanostruktur das entgegengesetzte Ende der Nanoanordnung, nachdem sie eine kinetische Nettoenergie von 1,5 Elektronenvolt (eV) gewonnen hat. Diese kinetische Energie ist zu gering, um die Nanoanordnung zu beschädigen, da inelastische Kollisionen unter Beteiligung von C60 Energien von mehr als 200 eV erfordern. Nach dem Auftreffen auf die umgebende Nanoanordnung von innen wird ein wesentlicher Teil dieser Energie in Wärme umgewandelt, wodurch sich die Schwingungstemperatur der Nanoanordnung um 10 K und diejenige der C60+-Ion-Nanostruktur um 2 K erhöht. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit und Schmelztemperatur TM ≈ 4000 K von Graphit-Nanostrukturen, dürfte es unwahrscheinlich sein, daß diese bescheidene Wärmeentwicklung – selbst bei hohen Zugriffsraten – signifikante strukturelle Schäden verursacht.
  • Wie 4(b) zu entnehmen ist, wird die kinetische Nettoenergie der Nanostruktur im Hinblick auf die Nanoanordnung während dieser Kollision erheblich vermindert. Das C60+-Ion prallt zurück in Richtung der Mitte der Nanoanordnung, wird durch das entgegengesetzt wirkende elektrische Feld abgebremst und bewegt sich schließlich wieder zum "Bit 1"-Ende. 4(c) läßt erkennen, daß das thermische Gleichgewicht im System nach der Kollision schrittweise erreicht wird. Die Schrittdauer von 1 ps resultiert aus den Stößen zwischen den niederfrequenten Quadrupol-Verformungsmoden des kälteren gekapselten C60+-Ions und der heißeren umgebenden Nanoanordnung, die während der quasi-elastischen Kollision angeregt wurden.
  • Eine oder mehrere Oszillationen der Nanostruktur innerhalb der Nanoanordnung, die durch den Transfer von Energie aus dem makroskopischen Bereich in innere Freiheitsgrade gedämpft werden, sind erforderlich, um sie in der neuen "Bit 1"-Gleichgewichtsposition zu stabilisieren, wobei eine kinetische Energie nicht die Tiefe des Fallenpotentials übersteigt. Wie 4(b) zu entnehmen ist, tritt diese Situation 10 ps nach dem anfänglichen Einsetzen des Umschaltfeldes ein, was somit in einer idealen Speicherumschaltung und einer Zugriffsrate von nahezu 0,1 THz resultiert. Im langsameren sequentiellen Modus drückt sich dies in einer Datendurchsatzrate von 10 GB/s aus, die viele Größenordnungen über dem Datendurchsatz liegt, der gegenwärtig von magnetischen Massenspeichergeräten erreicht wird.
  • Um die Umschaltzeit noch weiter zu reduzieren, kann die angelegte Feldstärke erhöht werden, um die Übergangszeit zwischen den beiden Zuständen "Bit 0" und "Bit 1" zu verkürzen, wobei zu berücksichtigen ist, daß sich der Dämpfungsvorgang in einem solchen Fall verlängert. Im Gegensatz zu unserer Modellsimulation besteht keine Notwendigkeit, während des gesamten Bitumkehrvorgangs ein konstantes Umschaltfeld anzulegen. Wie sich zeigt, genügt ein 0,5-ps-Impuls eines Feldes von 0,1–0,5 V/Ả, um das C60+-Ion aus seiner stabilen Position zu lösen und somit den Speicherzustand zu ändern. Dieser Ansatz kann von besonderem Nutzen sein, wenn aufgrund eines anderen Fullerenkomplexes eine Zunahme des Fallenpotentials erwünscht ist.
  • Eine Massenproduktion von Nanospeicherelementen der hierin diskutierten Art läßt sich wegen der Neigung von Nanoröhren und Nanokapseln, geordnete und dicht gepackte Arrays zu bilden, auf kostengünstige Weise erreichen. Es sei angemerkt, daß die Funktionalität des vorgeschlagenen Speicherelements im Nanomaßstab grundsätzlich unabhängig von der genauen Größe der Nanoröhre und der Nanoanordnung ist, da sich alle doppelwandigen Nanoröhren oder Nanokapseln, bei denen die eingeschlossene Struktur kürzer als die äußere Kapsel ist, wie ein abstimmbares Zwei-Ebenen-System verhält.
  • Anstelle einer geschlossenen Nanoanordnung, wie sie in den vorangegangenen Ausführungen veranschaulicht und beschrieben wurde, ist in 5 eine andere Nanoanordnung als Röhre bzw. Hohlzylinder mit offenem Ende dargestellt. Zwei Röhren 34 und 34A, die einen kleineren Durchmesser aufweisen und an einem Ende geschlossen sind, lassen sich im Hohlraum 16 der Nanoanordnung 14 so positionieren, daß eine nahezu zylindrische Lücke zwischen den geschlossenen Enden 36 und 36A dieser beiden Röhren ergibt. Dieser Zylinder bzw. diese Kapsel enthält mindestens eine geladene Nanostruktur 20, die sich entlang der Achse des abgeschnittenen Zylinderteils 38 bewegen kann, wenn im Inneren ein elektrisches Feld erzeugt wird, indem zwischen den Röhren 34 und 34A eine Vorspannung angelegt wird. Mit zwei gleich stabilen Gleichgewichtszuständen im Nullfeld handelt es sich um ein Zwei-Ebenen-System, das zum Speichern binärer Daten genutzt werden kann.

Claims (38)

  1. Nanomechanismus (10) zur Verwendung in einem Speicherelement im Nanomaßstab (30), umfassend: a) ein erstes Element (12) in Form einer Nanoanordnung (14) mit einem Hohlraum (16); b) ein zweites Element (18) in Form von mindestens einer Nanostruktur (20), die in dem Hohlraum angeordnet ist; wobei mindestens eines von dem ersten und zweiten Element relativ zu dem anderen von dem ersten und zweiten Element beweglich ist, um ein Umschalten zwischen Zuständen auszuführen, und dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoanordnung leitende (28) und nicht leitende (28A) Segmente umfasst.
  2. Nanomechanismus nach Anspruch 1, wobei die Nanoanordnung eine Nanoröhre ist.
  3. Nanomechanismus nach Anspruch 2, wobei die Nanoröhre aus mindestens einem Element gebildet wird, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Kohlenstoff, Bor, Stickstoff und Mischungen daraus besteht.
  4. Nanomechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Nanostruktur geladen ist.
  5. Nanomechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Nanostruktur in Form eines Fullerenmoleküls vorliegt.
  6. Nanomechanismus nach Anspruch 5, wobei das Fullerenmolekül einen Hohlkörper mit einem darin angeordneten geladenen Partikel umfasst.
  7. Nanomechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mindestens eine Nanostruktur eine Vielzahl von Nanostrukturen umfasst, die in dem Hohlraum der Nanoanordnung enthalten sind.
  8. Speicherelement (30) im Nanomaßstab zur Verwendung in einer Speichervorrichtung im Nanomaßstab, umfassend: a) einen Nanomechanismus (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und b) einen Aktivator zum Bewegen von mindestens einem von dem ersten und zweiten Element relativ zu dem anderen von dem ersten und zweiten Element, um ein Umschalten zwischen Zuständen auszuführen.
  9. Speicherelement im Nanomaßstab nach Anspruch 8, wobei der Aktivator einen Gegenstand zum Anlegen eines elektrischen Felds umfasst, der in der Nähe des Nanomechanismus angeordnet ist.
  10. Speicherelement im Nanomaßstab nach Anspruch 9, wobei der Gegenstand eine Elektrode ist, die an einem ersten Ende mit dem Nanomechanismus und an einem zweiten Ende mit einer Stromquelle verbunden ist.
  11. Speicherelement im Nanomaßstab nach Anspruch 9, wobei der Gegenstand eine Vielzahl von Elektroden umfasst, die an einem ersten Ende mit dem Nanomechanismus und an einem zweiten Ende mit einer Stromquelle verbunden sind.
  12. Speicherelement im Nanomaßstab nach Anspruch 11, wobei die Vielzahl von Elektroden eine erste Elektrode (26), die entlang einem ersten Ende (22) mit dem Nanomechanismus verbunden ist, und eine zweite Elektrode (26A), die entlang einem zweiten Ende (24) mit dem Nanomechanismus verbunden ist, umfasst.
  13. Speicherelement im Nanomaßstab nach Anspruch 12, wobei mindestens eine zusätzliche Elektrode (26B) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode mit dem Nanomechanismus verbunden ist.
  14. Speicherelement im Nanomaßstab nach Anspruch 13, wobei jede der Elektroden gleich beabstandet von den benachbarten Elektroden ist.
  15. Speicherelement im Nanomaßstab nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei der Aktivator eine Quelle elektromagnetischer Strahlung ist, die eine Zustandsveränderung verursacht.
  16. Speicherelement im Nanomaßstab nach einem der Ansprüche 8 bis 15, darüber hinaus umfassend: einen Detektor zur Identifikation des Zustands des Nanomechanismus.
  17. Speicherelement im Nanomaßstab nach Anspruch 16, wobei der Detektor eine Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Felds umfasst, die in der Nähe des Nanomechanismus angeordnet ist.
  18. Speicherelement im Nanomaßstab nach Anspruch 17, wobei die Vorrichtung eine Elektrode ist, die an einem ersten Ende mit dem Nanomechanismus und an einem zweiten Ende mit einer Stromquelle verbunden ist.
  19. Speicherelement im Nanomaßstab nach Anspruch 17, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl von Elektroden umfasst, die an einem ersten Ende mit dem Nanomechanismus und an einem zweiten Ende mit einer Stromquelle verbunden sind.
  20. Speicherelement im Nanomaßstab nach Anspruch 19, wobei die Vielzahl von Elektroden eine erste Elektrode (26), die entlang einem ersten Ende (22) mit dem Nanomechanismus verbunden ist, und eine zweite Elektrode (26A), die entlang einem zweiten Ende (24) mit dem Nanomechanismus verbunden ist, umfasst.
  21. Speicherelement im Nanomaßstab nach Anspruch 20, wobei mindestens eine zusätzliche Elektrode (26B) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode mit dem Nanomechanismus verbunden ist.
  22. Speicherelement im Nanomaßstab nach Anspruch 21, wobei jede der Elektroden mit dem gleichen Abstand von den benachbarten Elektroden entfernt angeordnet ist.
  23. Speicherelement im Nanomaßstab nach Anspruch 22, wobei die mittlere Elektrode und mindestens eine andere Elektrode verwendet werden, um den elektrischen Widerstand zu messen.
  24. Speicherelement im Nanomaßstab nach Anspruch 22, wobei ein Schaltkreis verwendet wird, um den elektrischen Widerstand abzulesen, um dadurch den Zustand des Speicherelements im Nanomaßstab zu bestimmen.
  25. Speicherelement im Nanomaßstab nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei der Ort der Nanostruktur durch die elektrische Polarität des Speicherelements im Nanomaßstab bestimmt wird.
  26. Speichervorrichtung im Nanomaßstab, umfassend: ein Speicherelement (30) im Nanomaßstab nach einem der Ansprüche 16 bis 25 und einen Schaltkreis (44) zur Überwachung einer Zustandsveränderung des Speicherelements im Nanomaßstab.
  27. Speichervorrichtung im Nanomaßstab nach Anspruch 26, wobei sich der elektrische Widerstand der Speichervorrichtung im Nanomaßstab in Abhängigkeit vom Ort der Nanostruktur in Bezug auf die leitenden (28) und nicht leitenden (28A) Abschnitte der Nanoanordnung (14) ändert.
  28. Speichervorrichtung im Nanomaßstab nach Anspruch 27, wobei die Änderung des elektrischen Widerstands verwendet wird, um den Zustand des Speicherelements im Nanomaßstab zu ermitteln.
  29. Speichervorrichtung im Nanomaßstab einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei der Zustand des Speicherelements im Nanomaßstab zu einem vorher existierenden Zustand zurückgeführt werden kann.
  30. Speichervorrichtung im Nanomaßstab nach einem der Ansprüche 26 bis 29, darüber hinaus umfassend eine Anordnung von Speicherelementen im Nanomaßstab, die so angeordnet sind, dass mindestens ein Informationsbit gespeichert werden kann.
  31. Speichervorrichtung im Nanomaßstab nach Anspruch 30, wobei die Anordnung leitende Elektroden umfasst, die verwendet werden, um die Informationseinheiten entweder allein oder in Gruppen zu adressieren.
  32. Speichervorrichtung im Nanomaßstab nach Anspruch 31, wobei die leitenden Elektroden der Anordnung aus mindestens einem Material gebildet sind, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus Metallen, Polysilicon und leitenden Nanoröhren besteht.
  33. Speichervorrichtung im Nanomaßstab nach Anspruch 31 oder 32, wobei eine Funktion der leitenden Elektroden der Anordnung darin besteht, elektrische Signale zu leiten, die eine Zustandsveränderung verursachen, die in den Nanomechanismen auftreten soll.
  34. Speichervorrichtung im Nanomaßstab nach einem der Ansprüche 31 bis 33, wobei eine Funktion der leitenden Elektroden der Anordnung darin besteht, elektrische Signale zu leiten, die es erlauben, den Zustand der Vorrichtung zu bestimmen.
  35. Speichervorrichtung im Nanomaßstab nach einem der Ansprüche 31 bis 34, wobei die leitenden Elektroden der Anordnung Informationen zu einem Computer zur Analyse übertragen.
  36. Speichervorrichtung im Nanomaßstab nach einem der Ansprüche 31 bis 35, wobei die Anzahl der erforderlichen leitenden Elektroden der Anordnung annähernd proportional zur Quadratwurzel der Anzahl der gespeicherten Bits ist.
  37. Speichervorrichtung im Nanomaßstab nach einem der Ansprüche 26 bis 36, wobei die Vorrichtung als hochdichte Speicherplatine verwendet werden kann.
  38. Speichervorrichtung im Nanomaßstab nach einem der Ansprüche 26 bis 37, wobei die Vorrichtung in einer Lithographievorrichtung verwendet werden kann.
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