Arrivano le memorie non volatili basate sul carbonio

Nel centro di ricerca IBM di Zurigo, alcuni ricercatori in collaborazione con diversi partner europei hanno esplorato la possibilità di usare materiali a base di carbonio per fabbricare memorie resistive non volatili per immagazzinare dati.

Nell’ambito di questo progetto europeo, chiamato CareRAMM, due materiali sono stati utilizzati: carbonio amorfo e ossido di grafene.

Nel 2014, le memorie a base di carbonio sono state considerate nella “International Technology Roadmap for Semiconductors” (ITRS) come promettenti dispositivi da investigare. Quello che rende il carbonio particolarmente interessante è l’elevata scalabilità della memoria e la velocità di scrittura inferiore a 5 nanosecondi.

Chi è Federico Zipoli

Federico Zipoli è ricercatore al laboratorio IBM di Zurigo dal 2010. Nel 2003, si è laureato in Scienza dei Materiali all’Università degli Studi di Milano-Bicocca, dove ha ottenuto anche il dottorato di ricerca europeo in Nanostrutture e Nanotecnologie nel 2006. Tra i diversi argomenti di ricerca affrontati in IBM, ha studiato vari materiali tramite simulazioni atomistiche di dinamica molecolare classica e conti di proprietà elettroniche con metodi da principi primi per lo sviluppo di nuovi sistemi per l’immagazzinamento dei dati. Recentemente, ha contribuito mediante simulazioni atomistiche allo studio di memorie a base di carbonio (argomento qui trattato).

In questo tipo di memorie l’informazione è registrata cambiando la resistenza elettrica di una porzione di materiale confinato tra due elettrodi, da cui il nome di memorie resistive. La struttura di una memoria che utilizza carbonio amorfo e il suo funzionamento studiato mediante simulazioni atomistiche sono illustrati qui sotto. Applicando un opportuno potenziale tra i due elettrodi e possibile indurre un cambiamento della struttura del materiale resistivo e quindi variare la resistenza del materiale stesso. Affinché il dispositivo possa essere utilizzato come memoria non volatile è necessario che il processo sia reversibile e che il valore delle resistenze impostate sia controllato.

 

Figura 1. Schema di una memoria resistiva. Il materiale resistivo (area in grigio), in questo caso carbonio amorfo contenente per lo più atomi di carbonio sp3. I più estesi cluster di atomi sp2 coniugati contenuti nella matrice amorfa sp3 sono illustrati in rosso nei due pannelli inferiori. Due elettrodi (color ciano) sono accoppiati al materiale resistivo. Un materiale elettricamente isolante, in questo caso silice (color blu scuro), viene usato per separare i due elettrodi. Applicando un campo elettrico tra i due elettrodi è possibile indurre una re-ibridizzazione degli atomi di carbonio, prodotta dal calore prodotto per effetto Joule nel carbonio amorfo. A seconda della durata e intensità del campo applicato, è possibile ridurre (SET step) o aumentare (RESET step) la resistenza del carbonio amorfo. Nei pannelli superiori è mostrato il funzionamento della memoria tramite simulazioni atomistiche di dinamica molecolare. Per chiarezza sono indicati con sfere solo gli atomi di carbonio sp2 che formano i cluster coniugati più estesi (percorsi che offrono minore resistenza per la conduzione di elettroni). Nello stato a bassa resistenza (LRS Low Resistance State, pannello a sinistra) il cluster di colore rosso si estende per tutto lo spessore del campione. Durante il RESET step i cluster più estesi sono frammentati in gruppi di atomi coniugati più piccoli. Di conseguenza la resistenza elettrica del materiale tra i due elettrodi aumenta. La cella è ora nello stato ad alta resistenza (HRS High Resistance State, pannello a destra).

Resistenza alle temperature

È altrettanto importante che la resistenza, una volta impostata, rimanga invariata nel tempo anche ad alte temperature. Il carbonio ha ottima resistenza alle temperature. L’elevata velocità di scrittura e il basso costo di fabbricazione sono ulteriori vantaggi del carbonio amorfo. Sfortunatamente, le memorie costruite utilizzando solo carbonio mostrano una limitata ciclabilità, come mostrato nella figura sotto.

Nel carbonio è più facile formare che rompere gruppi coniugati di atomi sp2, essendo carbonio sp2 termodinamicamente più stabile. I ricercatori di IBM Zurigo hanno scoperto che aggiungendo ossigeno al carbonio amorfo è possibile destabilizzare la formazione di estesi gruppi di atomi sp2 (tipo grafite) e quindi incrementare significativamente (circa fattore 100) il numero di cicli di scrittura.

Figura 2. Risultati sperimentali su memorie contruite con (a) carbonio amorfo e (b) carbonio amorfo ossigenato. Si mostra che introducendo ossigeno nel carbonio amorfo il numero di cicli di scrittura è incrementato di circa un fattore 100.

L’ossigeno offre vantaggi anche nelle memorie basate sul grafene. Nell’ambito di CareRAMM, i ricercatori di University of Exeter hanno costruito una memoria che utilizza come materiale resistivo ossido di grafene accoppiato a titanio. In questo dispositivo il cambiamento di resistenza è prodotto da reazioni redox reversibili all’interfaccia ossido di grafene/titanio. La figura, pubblicata in ACS Nano 11, 3010−3021 (2017), mostra come in questa memoria sia possibile impostare in modo controllato quattro valori di resistenza. Questo permette di immagazzinare 2-bit di informazione per cella. Memorie basate sull’ossido di grafene offrono vantaggi in termini di basso costo, alta flessibilità meccanica del materiale e alta trasparenza ottica, che rendono queste memorie molto attraenti per future applicazioni in tecnologie che richiedono trasparenza e flessibilità.

Con il carbonio memorie veloci e a basso costo

Questo lavoro mostra che una nuova classe di memorie basate su carbonio offre promettenti proprietà tra cui scalabilità a livello nanometrico (spessore 8 nm), elevata velocità di scrittura (sub-5 ns), bassi costi, multi-bit per cella e anche ottime caratteriche meccaniche ottiche.

Attraverso l’uso combinato di avanzati metodi di sintesi, caratterizzazione dei materiali e simulazioni atomistiche è possibile studiare il funzionamento di questi dispositivi e migliorare le proprietà dei materiali che li costituiscono.

Figura 3. Funzionamento di una memoria a 4 livelli (2-bit) in cui viene usato ossido di grafene come materiale resistivo a contatto con titanio. Applicando un campo elettrico come indicato in figura è possibile promuovere migrazione di atomi di ossigeno dal grafene verso il titanio (ossidazione del titanio) e viceversa. L’ossidazione del titanio, incrementa la resistenza del dispositivo (HRS). Invertendo la polarità è possibile ridurre il titanio, promuovendo la diffusione reversibile di atomi di ossigeno dal titanio al grafene (LRS). Il pannello a sinistra mostra come in questo particolare dispositivo sintetizzato ad Exeter sia possibile impostare quattro valori ben risolti di resistenza. Questo permette di immagazzinare 2-bit di informazione per cella.

 

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