Οργανικές ΜνήμεςΟργανικές Μνήμες

Παπαδημητρίου ΑθανάσιοςΠαπαδημητρίου Αθανάσιος

Καθηγητής: Κος Τσουκαλάς Δ.Καθηγητής: Κος Τσουκαλάς Δ.

Τι είναι μνήμη;Τι είναι μνήμη;

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

Είδη Μνήμης:Είδη Μνήμης:

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

Flash memoryFlash memory

ΦορητότηταΦορητότητα

ΤαχύτηταΤαχύτητα

Λειτουργία Λειτουργία Flash Flash μνήμης.μνήμης.

Θεμελιώδες στοιχείο Θεμελιώδες στοιχείο μια μια Flash Flash είναι ένα είναι ένα MOSFET MOSFET με δύο με δύο πύλες.πύλες.

Η Η Floating GateFloating Gate περιβάλλεται από περιβάλλεται από διοξείδιο του πυριτίουδιοξείδιο του πυριτίου..

Προβλήματα μείωσης των Προβλήματα μείωσης των διαστάσεων ενόςδιαστάσεων ενός MOSFET. MOSFET.

Διαρροή οξειδίου Διαρροή οξειδίου πύλης (1.2 πύλης (1.2 nmnm ~ 5 ~ 5 άτομα).άτομα).

Παραγωγή Παραγωγή θερμότητας.θερμότητας.

Αύξηση ποσοστού Αύξηση ποσοστού χωρητικότητας των χωρητικότητας των διασυνδέσεων ~διασυνδέσεων ~ delaydelay..

Οργανικές μνήμες.Οργανικές μνήμες.

Νέα κατηγορία μνημών σε ερευνητικό Νέα κατηγορία μνημών σε ερευνητικό στάδιο.στάδιο.

Χρησιμοποιούν οργανικά και πολυμερή Χρησιμοποιούν οργανικά και πολυμερή υλικά.υλικά.

Για να μπορέσουν να ανταγωνιστούν την Για να μπορέσουν να ανταγωνιστούν την τεχνολογία του πυριτίου πρέπει να έχουν τεχνολογία του πυριτίου πρέπει να έχουν συγκριτικά μικρότερο εμβαδόν.συγκριτικά μικρότερο εμβαδόν.

Πλεονεκτίματα Οργανικών ΜνημώνΠλεονεκτίματα Οργανικών Μνημών

3-3-D D

Απλή διαδικασία κατασκευής Απλή διαδικασία κατασκευής

ΕύκαμπτεςΕύκαμπτες

Χαμηλού κόστουςΧαμηλού κόστους

Χαμηλού βάρουςΧαμηλού βάρους

Απαιτήσεις:Απαιτήσεις:

Διατήρηση δεδομένων για τουλάχιστον 10 χρόνια.Διατήρηση δεδομένων για τουλάχιστον 10 χρόνια.

Χαμηλή κατανάλωση.Χαμηλή κατανάλωση.

ΤουλάχιστονΤουλάχιστον 10^6 10^6 κύκλοι λειτουργίας.κύκλοι λειτουργίας.

Μικρότερο εμβαδόν από τις Μικρότερο εμβαδόν από τις flash.flash.

610610

Γενική αρχή λειτουργίας:Γενική αρχή λειτουργίας:

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

Κατηγορίες οργανικής μνήμης:Κατηγορίες οργανικής μνήμης:

Μνήμες με ενεργό υλικό Μνήμες με ενεργό υλικό τριών στρώσεων.τριών στρώσεων.

Κατασκευή διάταξης τριών Κατασκευή διάταξης τριών στρώσεων.στρώσεων.

Organic/Metal nanocluster/Organic (OMO)Organic/Metal nanocluster/Organic (OMO)

Ανάμεσα σε μια άνοδο και μια κάθοδο.Ανάμεσα σε μια άνοδο και μια κάθοδο.

δηλαδή,δηλαδή,

Al/OMO/Al.Al/OMO/Al.

Ως οργανικό υλικό επιλέχθηκε:Ως οργανικό υλικό επιλέχθηκε:

2-2-amino-4.5-imidazoledicarbonitrile (AIDCN)amino-4.5-imidazoledicarbonitrile (AIDCN)

Ενώ για το μεταλλικό στρώμα μέσα στο οργανικό Ενώ για το μεταλλικό στρώμα μέσα στο οργανικό υλικό επιλέχθηκε υλικό επιλέχθηκε Al, Al, όπως επίσης και για τα όπως επίσης και για τα ηλεκτρόδια.ηλεκτρόδια.

Οι επιστρώσεις των υλικών που Οι επιστρώσεις των υλικών που αποτελούν την διάταξη, εναποτέθηκαν με αποτελούν την διάταξη, εναποτέθηκαν με πολλαπλές διαδοχικές θερμικές πολλαπλές διαδοχικές θερμικές εξαχνώσεις σε κενό 1εξαχνώσεις σε κενό 1x10^-6 Torr.x10^-6 Torr.

Για την δημιουργία της νανοεπίστρωσης Για την δημιουργία της νανοεπίστρωσης το το ALAL εξαχνώνεται με εξαχνώνεται με AIDCNAIDCN, με βέλτιστο , με βέλτιστο λόγο λόγο Al/AIDCNAl/AIDCN : :

3:1 έως 4:1.3:1 έως 4:1.

Ατομική μικροσκοπία σάρωσηςΑτομική μικροσκοπία σάρωσης

3.3:1 έχουμε:3.3:1 έχουμε:

Metal-organic Metal-organic νανοσύνθετη νανοσύνθετη δομή.δομή.

Παρατηρείται μια Παρατηρείται μια στρώση οξειδίου στρώση οξειδίου ανάμεσα στα ανάμεσα στα nanoclusters Al.nanoclusters Al.

Μετά την εφαρμογή μιας αρκετά μεγάλης Μετά την εφαρμογή μιας αρκετά μεγάλης τάσης πόλωσης το τάσης πόλωσης το Al-nanocluster Al-nanocluster πολώνεται. Τα αποθηκευμένα φορτία πολώνεται. Τα αποθηκευμένα φορτία μειώνουν κατά πολύ την αντίσταση και μειώνουν κατά πολύ την αντίσταση και έτσι έχουμε μετάβαση στην έτσι έχουμε μετάβαση στην onon κατάσταση. κατάσταση.

Αρκεί μια αντίθετη τάση πόλωσης για να Αρκεί μια αντίθετη τάση πόλωσης για να επαναφέρει την διάταξη στην επαναφέρει την διάταξη στην off off κατάσταση.κατάσταση.

Τέλος το οξείδιο δρά ως μονωτής και Τέλος το οξείδιο δρά ως μονωτής και εμποδίζει την επανασύνδεση ακόμα και εμποδίζει την επανασύνδεση ακόμα και μετά την διακοπή εφαρμογής της τάσης.μετά την διακοπή εφαρμογής της τάσης.

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

Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά.Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά.

Θα αναμέναμε ο χρόνος για να μεταφερθεί Θα αναμέναμε ο χρόνος για να μεταφερθεί ένα ηλεκτρόνιο από το ηλεκτρόδιο στο ένα ηλεκτρόνιο από το ηλεκτρόδιο στο εσωτερικό στρώμα να είναι περίπου εσωτερικό στρώμα να είναι περίπου 1μ1μsec.sec. ( (AIDCN AIDCN πάχους 50πάχους 50nmnm και και ευκινησία φορέων 10^-5ευκινησία φορέων 10^-5cm^2V^-1sec^-1cm^2V^-1sec^-1))

Βρέθηκε ότι ο χρόνος εναλλαγής από την Βρέθηκε ότι ο χρόνος εναλλαγής από την κατάσταση κατάσταση on on στην στην offoff είναι μικρότερος από είναι μικρότερος από 2020nsecnsec

Επίσης η τάση εναλλαγής παραμένει σχεδόν ίδια Επίσης η τάση εναλλαγής παραμένει σχεδόν ίδια κατά την μεταβολή της θερμοκρασίας.κατά την μεταβολή της θερμοκρασίας.

Συμπέρασμα:Συμπέρασμα:

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

Διάταξη μιας στρώσης.Διάταξη μιας στρώσης.

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

Κατασκευή της διάταξης.Κατασκευή της διάταξης.

Νανοσωματίδια Νανοσωματίδια Au Au με περίβλημα με περίβλημα 1-1-dodecanethiol (DT) dodecanethiol (DT) Au-DT Au-DT διαμέτρου διαμέτρου 1.6-4.4 1.6-4.4 nm nm μέσω μέσω spin-coating (spin-coating (0.4%0.4%wt wt Au-DT) Au-DT) με:με:

1) 0.4%1) 0.4%wt 8-hydroxyquinoline (8HQ)wt 8-hydroxyquinoline (8HQ)

2) 1.22) 1.2%%wt polystyrene (PS)wt polystyrene (PS)

3) 1.2-dichlorobenzene.3) 1.2-dichlorobenzene.

Σχηματίζουν ένα φιλμ πολυμερούς 50Σχηματίζουν ένα φιλμ πολυμερούς 50nm. nm.

Spin-Coating.Spin-Coating.

Το Το Spin coatingSpin coating είναι μια διακασία είναι μια διακασία σχηματισμού λεπτών υμενίωνσχηματισμού λεπτών υμενίων. .

Μεγάλη ποσότητα διαλυτικού τοποθετείται Μεγάλη ποσότητα διαλυτικού τοποθετείται στο υπόστρωμαστο υπόστρωμα, , το οποίο περιστρέφεται το οποίο περιστρέφεται με μεγάλη ταχύτητα, ώστε να απλωθεί το με μεγάλη ταχύτητα, ώστε να απλωθεί το υγρό μέσω κεντρόφυγου δύναμης.υγρό μέσω κεντρόφυγου δύναμης.

To To προαναφερθέν ενεργό υλικό προαναφερθέν ενεργό υλικό τοποθετείται ανάμεσα σε τοποθετείται ανάμεσα σε AlAl (0.2 (0.2mmmm) το ) το οποίο εξαχνώνεται θερμικά.οποίο εξαχνώνεται θερμικά.

Προκύπτει λοιπόν ότι η επιφάνεια της Προκύπτει λοιπόν ότι η επιφάνεια της διάταξης είναι 0.04διάταξης είναι 0.04mm^2mm^2

Al/Au-DT NP+8HQ+PS/Al.Al/Au-DT NP+8HQ+PS/Al.

Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά.Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά.

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

Όταν έχουμε κατάσταση μεγάλης Όταν έχουμε κατάσταση μεγάλης αγωγιμότητας το ρεύμα είναι ανεξάρτητο αγωγιμότητας το ρεύμα είναι ανεξάρτητο από την θερμοκρασία και έχουμε:από την θερμοκρασία και έχουμε:

Όταν Όταν VV<Φ υπερισχύει ο πρώτος όρος <Φ υπερισχύει ο πρώτος όρος ((direct tunnelingdirect tunneling))Όταν Όταν VV>Φ >Φ o Fowler-Nordheim.o Fowler-Nordheim.Όπου Φ το ύψος του φράγματος Όπου Φ το ύψος του φράγματος δυναμικού.δυναμικού.

Μηχανισμοί μεταβολής της Μηχανισμοί μεταβολής της αγωγιμότητας.αγωγιμότητας.

Ένα μέτρο του πόσο εύκολα μπορεί ένα μόριο Ένα μέτρο του πόσο εύκολα μπορεί ένα μόριο να διεγερθεί είναι η διαφορά των ενεργειών των να διεγερθεί είναι η διαφορά των ενεργειών των ΗΗOMO OMO καικαι LUMO LUMO η οποία ονομάζεται η οποία ονομάζεται band gap band gap, , όπου: ΗΟΜΟ όπου: ΗΟΜΟ highest occupied molecular orbital highest occupied molecular orbital καικαι LUMO lowest unoccupied molecular orbital. LUMO lowest unoccupied molecular orbital.

ΤοΤο επίπεδο επίπεδο HOMO HOMO είναι για τους οργανικούς είναι για τους οργανικούς ημιαγωγούς ότι η ζώνη σθένους για τους ημιαγωγούς ότι η ζώνη σθένους για τους ανόργανους. Ενώ το επίπεδο ανόργανους. Ενώ το επίπεδο LUMO LUMO αντιστοιχεί αντιστοιχεί στην ζώνη αγωγιμότητας.στην ζώνη αγωγιμότητας.

Έχουμε μεταφορά φορτίου ανάμεσα στα Έχουμε μεταφορά φορτίου ανάμεσα στα Au-DT Nps (Acceptor) Au-DT Nps (Acceptor) και στο και στο 8HQ8HQ((DonorDonor) υπό την επίδραση ισχυρού ) υπό την επίδραση ισχυρού πεδίου.πεδίου.

Όταν το πεδίο φθασει μια τιμή, τα Όταν το πεδίο φθασει μια τιμή, τα e e από την από την HOMO HOMO του 8του 8HQHQ μέσω φαινομένου μέσω φαινομένου σήραγγος διαπερνούν το σήραγγος διαπερνούν το DTDT και φθάνουν και φθάνουν στα στα NPs.NPs.Το 8Το 8HQ HQ έιναι θετικά φορτισμένο ενώ τα έιναι θετικά φορτισμένο ενώ τα NPs NPs αρνητικά.αρνητικά.To HOMO To HOMO είναι πλέον μερικά κατηλειμένο είναι πλέον μερικά κατηλειμένο και επιτρέπει την κίνηση των φορέων.και επιτρέπει την κίνηση των φορέων.

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

Τελευταίες εξελίξεις:Τελευταίες εξελίξεις:

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

Βιβλιογραφία: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.