Οργανικές Μνήμες Παπαδημητρίου Αθανάσιος Καθηγητής: Κος Τσουκαλάς Δ.

Τι είναι μνήμη; Μνήμη είναι μια συσκευή η οποία αποθηκεύει ψηφιακά δεδομένα (0 ή 1) για κάποιο χρονικό διάστημα.

Είδη Μνήμης: Πτητικές μνήμες: Χρειάζονται συνεχή παροχή ισχύος για να διατηρήσουν την αποθηκευμένη πληροφορία. Αυτού του είδους η μνήμες χρησιμοποιούνται στις μέρες μας για ¨πρωταρχική αποθήκευση¨. Μη-πτητικές μνήμες: διατηρούν την αποθηκευμένη πληροφορία ακόμη και αν δεν τους παρέχεται ισχύς. Είναι κατάλληλες για μακροπρόθεσμη αποθήκευση δεδομένων. Σήμερα χρησιμοποιούνται κυρίως για δευτερεύουσα αποθήκευση.

Flash memory ΦορητότηταΤαχύτητα

Λειτουργία Flash μνήμης. Θεμελιώδες στοιχείο μια Flash είναι ένα MOSFET με δύο πύλες. Η Floating Gate περιβάλλεται από διοξείδιο του πυριτίου.

Προβλήματα μείωσης των διαστάσεων ενός MOSFET. Διαρροή οξειδίου πύλης (1.2 nm ~ 5 άτομα). Παραγωγή θερμότητας. Αύξηση ποσοστού χωρητικότητας των διασυνδέσεων ~ delay.

Οργανικές μνήμες. Νέα κατηγορία μνημών σε ερευνητικό στάδιο. Χρησιμοποιούν οργανικά και πολυμερή υλικά. Για να μπορέσουν να ανταγωνιστούν την τεχνολογία του πυριτίου πρέπει να έχουν συγκριτικά μικρότερο εμβαδόν.

Πλεονεκτίματα Οργανικών Μνημών 3-D Απλή διαδικασία κατασκευής Εύκαμπτες Χαμηλού κόστους Χαμηλού βάρους

Απαιτήσεις: Διατήρηση δεδομένων για τουλάχιστον 10 χρόνια. Χαμηλή κατανάλωση. Τουλάχιστον 10^6 κύκλοι λειτουργίας. Μικρότερο εμβαδόν από τις flash.

Γενική αρχή λειτουργίας: Το φαινόμενο μνήμης οφείλεται στην μετάβαση της διάταξης από μια κατάσταση χαμηλής, σε μια κατάσταση υψηλής αγωγιμότητας (περίπου 5 τάξεις μεγέθους).

Κατηγορίες οργανικής μνήμης: Μνήμες με ενεργό υλικό τριών στρώσεων.

Κατασκευή διάταξης τριών στρώσεων. Organic/Metal nanocluster/Organic (OMO) Ανάμεσα σε μια άνοδο και μια κάθοδο. δηλαδή,Al/OMO/Al. Ως οργανικό υλικό επιλέχθηκε: 2-amino-4.5-imidazoledicarbonitrile (AIDCN) Ενώ για το μεταλλικό στρώμα μέσα στο οργανικό υλικό επιλέχθηκε Al, όπως επίσης και για τα ηλεκτρόδια.

Οι επιστρώσεις των υλικών που αποτελούν την διάταξη, εναποτέθηκαν με πολλαπλές διαδοχικές θερμικές εξαχνώσεις σε κενό 1x10^-6 Torr. Για την δημιουργία της νανοεπίστρωσης το AL εξαχνώνεται με AIDCN, με βέλτιστο λόγο Al/AIDCN : 3:1 έως 4:1. 3:1 έως 4:1.

Ατομική μικροσκοπία σάρωσης 3.3:1 έχουμε: Metal-organic νανοσύνθετη δομή. Metal-organic νανοσύνθετη δομή. Παρατηρείται μια στρώση οξειδίου ανάμεσα στα nanoclusters Al.

Μετά την εφαρμογή μιας αρκετά μεγάλης τάσης πόλωσης το Al-nanocluster πολώνεται. Τα αποθηκευμένα φορτία μειώνουν κατά πολύ την αντίσταση και έτσι έχουμε μετάβαση στην on κατάσταση. Αρκεί μια αντίθετη τάση πόλωσης για να επαναφέρει την διάταξη στην off κατάσταση. Τέλος το οξείδιο δρά ως μονωτής και εμποδίζει την επανασύνδεση ακόμα και μετά την διακοπή εφαρμογής της τάσης.

Απαίτηση για την ύπαρξη των δύο καλά διαχωρισμένων καταστάσεων είναι η ύπαρξη ενός φράγματος δυναμικού, το οποίο θα εμποδίζει την επανασύνδεση θετικών και αρνητικών φορτίων, ακόμη και μετά την απομάκρυνση της τάσης πόλωσης.

Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Θα αναμέναμε ο χρόνος για να μεταφερθεί ένα ηλεκτρόνιο από το ηλεκτρόδιο στο εσωτερικό στρώμα να είναι περίπου 1μsec. (AIDCN πάχους 50nm και ευκινησία φορέων 10^-5cm^2V^-1sec^-1)

Βρέθηκε ότι ο χρόνος εναλλαγής από την κατάσταση on στην off είναι μικρότερος από 20nsec Επίσης η τάση εναλλαγής παραμένει σχεδόν ίδια κατά την μεταβολή της θερμοκρασίας.

Συμπέρασμα: Τα παραπάνω μας κάνουν να υποθέσουμε ότι δεν έχουμε μια απλή δέσμευση φορτίου αλλά μια διαδικασία φαινομένου σήραγγος.

Διάταξη μιας στρώσης. Έχουμε πολυμερές το οποίο περιέχει μεταλλικά νανοσωματίδια, ανάμεσα σε δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια.

Κατασκευή της διάταξης. Νανοσωματίδια Au με περίβλημα 1-dodecanethiol (DT)  Au-DT διαμέτρου nm μέσω spin-coating (0.4%wt Au-DT) με: 1) 0.4%wt 8-hydroxyquinoline (8HQ) 1) 0.4%wt 8-hydroxyquinoline (8HQ) 2) 1.2%wt polystyrene (PS) 2) 1.2%wt polystyrene (PS) 3) 1.2-dichlorobenzene. 3) 1.2-dichlorobenzene. Σχηματίζουν ένα φιλμ πολυμερούς 50nm.

Spin-Coating. Το Spin coating είναι μια διακασία σχηματισμού λεπτών υμενίων. Μεγάλη ποσότητα διαλυτικού τοποθετείται στο υπόστρωμα, το οποίο περιστρέφεται με μεγάλη ταχύτητα, ώστε να απλωθεί το υγρό μέσω κεντρόφυγου δύναμης.

To προαναφερθέν ενεργό υλικό τοποθετείται ανάμεσα σε Al (0.2mm) το οποίο εξαχνώνεται θερμικά. Προκύπτει λοιπόν ότι η επιφάνεια της διάταξης είναι 0.04mm^2 Al/Au-DT NP+8HQ+PS/Al.

Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Η αλλαγή της κατάστασης αγωγιμότητας αυτή την φορά παρατηρήθηκε στα 2.8 V. Η αύξηση στο ρεύμα είναι 5 τάξεις μεγέθους. Για να επανέλθουμε στην κατάσταση χαμηλής αγωγιμότητας πρέπει να εφαρμόσουμε αρνητική πόλωση. Έγιναν μετρήσεις των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών σε κενό, ατμοσφαιρικό αέρα και σε περιβάλλον αζώτου.Η μόνη διαφορά που παρατηρήθηκε ήταν 1-2 τάξεις μεγαλύτερη αγωγιμότητα στην off κατάσταση, στην περίπτωση του αέρα.

Όταν έχουμε κατάσταση μεγάλης αγωγιμότητας το ρεύμα είναι ανεξάρτητο από την θερμοκρασία και έχουμε: Όταν V<Φ υπερισχύει ο πρώτος όρος (direct tunneling) Όταν V>Φ o Fowler-Nordheim. Όπου Φ το ύψος του φράγματος δυναμικού.

Μηχανισμοί μεταβολής της αγωγιμότητας. Ένα μέτρο του πόσο εύκολα μπορεί ένα μόριο να διεγερθεί είναι η διαφορά των ενεργειών των ΗOMO και LUMO η οποία ονομάζεται band gap, όπου: ΗΟΜΟ highest occupied molecular orbital και LUMO lowest unoccupied molecular orbital. Το επίπεδο HOMO είναι για τους οργανικούς ημιαγωγούς ότι η ζώνη σθένους για τους ανόργανους. Ενώ το επίπεδο LUMO αντιστοιχεί στην ζώνη αγωγιμότητας.

Έχουμε μεταφορά φορτίου ανάμεσα στα Au-DT Nps (Acceptor) και στο 8HQ(Donor) υπό την επίδραση ισχυρού πεδίου. Όταν το πεδίο φθασει μια τιμή, τα e από την HOMO του 8HQ μέσω φαινομένου σήραγγος διαπερνούν το DT και φθάνουν στα NPs. Το 8HQ έιναι θετικά φορτισμένο ενώ τα NPs αρνητικά. To HOMO είναι πλέον μερικά κατηλειμένο και επιτρέπει την κίνηση των φορέων.

Πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι δεν είναι απαραίτητη η ύπαρξη μεταλλικών νανοσωματιδίων στο ενεργό υλικο οργανικής μνήμης ως μέσο παγίδευσης φορτίου.Έτσι είναι δυνατή η δημιουργία φαινομένου μνήμης με καθαρά οργανικό ενεργό υλικό, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα την ευκολότερη σμίκρυνση των διαστάσεων της διάταξης. Τελευταίες εξελίξεις:

Οι οργανικές μνήμες αν και είναι ακόμα σε καθαρά ερευνητικό στάδιο είναι πιθανό να αποτελέσουν τις μνήμες επόμενης γενειάς.

Βιβλιογραφία: Programmable polymer thin film and non-volatile memory device, JIANYONG OUYANG, CHIH-WEI CHU, CHARLES R. SZMANDA, LIPING MA AND YANG YANG. Emerging memory devices, Nontraditional Possibilities Based on Nanomaterials and Nanostructures. Kosmas Galatsis, Kang Wang,Youssry Botros,Yang Yang, Ya-Hong Xie, J.F. Stoddart, R.B. Kaner, Cengiz Ozkan, Jianlin Liu, Mihri Ozkan, Chongwu Zhou, and Ki Wook Kim. Electrical Switching and Bistability in Organic/ Polymeric Thin Films and Memory Devices, By Yang Yang, Jianyong Ouyang, Liping Ma, Ricky Jia- Hung Tseng, and Chih-Wei Chu. Organic Donor-Acceptor System Exhibiting Electrical Bistability for Use in Memory Devices. By Chih Wei, Lianyong Ouyang, Jia-Hung tseng and Yang Yang.