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碳納米管在新型存儲器件中的應用
2015年06月09日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:4591
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碳納米管可以看做是石墨烯片層卷曲而成,因此按照石墨烯片的層數可分為:單壁碳納米管(或稱單層碳納米管)和多壁碳納米管(或多層碳納米管)。與多壁管相比,單壁管直徑大小的分布范圍小,缺陷少,具有更高的均勻一致性。自碳納米管材料被發現開始,就展現出多種優異性能,可應用于許多高端領域。

1、由于碳納米管具有優良的電學和力學性能,被認為是在納米復合材料領域有著巨大的應用潛力。

2、碳納米管具有優異的導電性能和良好的機械性能,碳納米管是電子元器件領域所需的理想材料。

3、碳納米管儲氫是具有很大發展潛力的應用領域之一。室溫常壓,下約三分之二的氫能從碳納米管釋放出來,而且可被反復使用。碳納米管儲氫材料在燃料電池系統中用于儲氫氣存儲,對電動汽車的發展具有非常重要的意義。

 

本文將主要介紹碳納米管在電子存儲器領域的開發應用情況。

 

碳納米管原子結構示意圖

 

目前,存儲器技術主要分為以下三個種類:1、動態隨機存取存儲器DRam(價格低廉速度稍慢)2、靜態隨機存取存儲器SRam(高速存儲器)3、閃存。DRam和SRam都需要外部供電來保存數據。而閃存不需要供電即可保存數據,且不易丟失,但是讀寫速度要比DRam低。 隨著網絡技術的進步,人類生活越來越離不開各類多媒體電子產品。手機、電腦存儲了高清的圖片、視頻等電子文檔。面對動輒幾個甚至十幾個GB大小的文件,當前通用的存儲器件已經顯現疲態。開發能夠滿足不斷增加的在微小空間存儲信息需求的存儲器格式變得尤為迫切。

 

一、用碳納米管制造存儲器的機理

 

英國諾丁漢大學化學學院進行了“納米數據存儲設備”項目的研究。研究人員發現了可以使用性能獨特的碳納米管來制造低成本、體積小的存儲器元件。這些原件耗電量極低,但能以高速記錄信息。研究人員發現發現,如果一根碳納米管位于另一根稍微大一點的碳納米管之中,那么由于靜電、范德華力和毛細力的作用,內部管就會隨著外部管“流動”。當電流通過碳納米管的時候就會使內部管被推著在外部管中進出。這種壓縮動作可以使內部管與電極連接或斷開,從而最終產生使用二進制編碼保存信息所需的“1”或“0”狀態。研究人員指出,當電源被切斷時,控制著分子間吸引力的范德華力會使內部管與電極相接,這樣存儲器存儲的信息不會丟失,這一點與閃存相似。

 

電子產業一直在尋找替代以硅材料為基礎的、用于存儲數據和制造計算機存儲器的技術。現有的技術,如磁性硬盤,在亞微米尺度范圍內使用時是不可靠的,而且很快就會達到它們的基礎物理限制。碳納米管研究項目將開發存儲信息的新設備,這些設備完全以碳納米管制成,不但具有動態存儲器的速度和低廉價格,而且具有閃存的不易丟失性。

 

二、碳納米管存儲器性能優勢及開發進展

 

當前,碳納米管存儲器的研究已經取得突破性進展。2015年美國馬薩諸塞州Nantero公司新研制出一種可以用100多億個碳納米管進行信息存儲的計算機存儲器,理論上它可以進行10GB數據的處理。Nantero將下一代基于碳納米管的儲存器命名為非易失性隨機訪問存儲器(NRAM)。Nantero公司的執行總裁GregSchmergel稱,碳納米管隨機存取存儲器(NRAM)能更好地控制數據,使數據運算變得安全穩定。即使計算機電源被切斷,NRAM存儲器的數據也不會丟失。同時,該存儲器可以很快地導入數據并進行運算。從納米管技術目前的開發和應用可以看出,NRAM存儲器要比當前靜態隨機存取存儲器SRam要快。有關分析家預測,Nantero公司開始使用納米管生產集成芯片,只是碳電子技術應用的開端。納米管隨機存取存儲器(NRAM)的記憶存儲能力在18個月內會以0.4GB的速度發展。

 

根據公布的數據新型碳納米管存儲器具有如下幾點性能優勢:

1. 讀取速度和DRAM一樣快,比閃存快了近100倍,但是功耗很低。  

2. 耐用性強、數據存儲可靠性強。 

3. 切換時間快,媲美任何DRAM。 

4. 尺寸比閃存小,單個存儲單元可低至5nm。

 

將這些性能組合在一起,證明NRAM完全能夠替代目前通用的幾種存儲器。同時對比于傳統存儲器,NRAM也沒有其他成本的增加。制造傳統存儲器,需要很多的掩膜和復雜的步驟。而在做NRAM的時候,只需要一層碳納米管來存儲數據,用一個低成本的原料替代高價貨。到目前為止,Nantero已產出成千上萬個芯片,NRAM芯片的生產線已經布設在7個工廠中。

 

這場關于存儲的競賽已處于最后階段。惠普的憶阻器,Crossbar的RRAM,Nantero公司的NRAM,都是技術上的領先者。不管最終結局如何,碳納米管的各項優異性能決定了它在未來新材料領域必將占據一席之地。

 

(粉體圈 作者:梧桐)


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