Drei-Bit-RAM wurde auf einem Tintenstrahldrucker gedruckt

Schnelle 3-Bit-Speicherzellen, die auf einem Standard-Tintenstrahldrucker gedruckt werden

Bisher wurden zwei Arten von Speicher in Computergeräten verwendet: 1) nichtflüchtiger, aber relativ langsamer Flash-Speicher; 2) flüchtiger schneller Direktzugriffsspeicher wie DRAM. Ein idealer Speicher kombiniert jedoch die Vorteile dieser beiden Typen - er sollte schnell zum Schreiben und Lesen sein, aber gleichzeitig nicht flüchtig und nicht zerstört werden, auch nicht durch mehrere Lesevorgänge. Diese Art von Speicher wird von Forschungsteams verschiedener Unternehmen entwickelt. Einer der vorgeschlagenen Speichertypen ist Conductive Bridge RAM (CBRAM), ein Typ von Resistive RAM (ReRAM).

CBRAM kombiniert wirklich die Eigenschaften von RAM und Flash-Speicher. Es hat eine einfache Struktur vom Typ Leiter-Dielektrikum-Leiter. Der Widerstand einer CBRAM-Zelle ändert sich elektrochemisch zwischen zwei Zuständen. Wenn Sie die entsprechende Spannung anlegen, bildet das Metallgewinde eine Verbindung zwischen den beiden Elektroden, was einem niedrigen Widerstand im EIN-Zustand entspricht. Der Faden kann bei einer anderen Spannung teilweise aufgelöst werden, wodurch die Zelle in einen hochohmigen Zustand (AUS) zurückgebracht wird.

Einer der vielversprechendsten Bereiche bei der Entwicklung von ReRAM ist das Drucken von Speicherzellen auf einem Tintenstrahldrucker. Dieses Verfahren erfordert keine Lithografie und keinen Reinraum, wodurch die Kosten für die Herstellung von Elektronik erheblich gesenkt werden. Wenn wir ein Substrat aus einem billigen Film verwenden, erhalten wir außerdem einen Speicher, der sich hervorragend für flexible Elektronik eignet. Dies erweitert den Anwendungsbereich elektronischer Geräte erheblich.

Frühere Forschungen auf dem Gebiet des Speicherdrucks auf einem Drucker konzentrierten sich hauptsächlich auf elektrohydrodynamische Druckverfahren . Leider erfordern derzeit alle mit Standard-Tintenstrahl-Speichertechnologie gedruckten Speichervorrichtungen zusätzliche Produktionsschritte wie Galvanisieren oder lithografische Strukturierung .

Jetzt haben Physiker der Fachhochschule München die CBRAM-Inkjet-Methode gefunden, für die keine zusätzliche Nachbearbeitung erforderlich ist . Vollständig gebrauchsfertige RAM-Geräte verlassen den Drucker. Die Methode lässt sich leicht an die Rollentechnologie anpassen - den Prozess der Herstellung elektronischer Geräte auf Rollen aus flexiblem Kunststoff.

Ein Schlüsselelement von ReRAM ist die Isolierschicht, die Raum für Ionenmigration und die Erzeugung metallischer Filamente bietet. In dieser Rolle wurden viele Materialien ausprobiert, einschließlich Ag ₂ S, ZnO, SiO ₂ , GeSe und Polymere, wobei SiO ₂ die besten Schalteigenschaften unter allen zeigt .

Deutsche Physiker verwendeten Honeywell Accuglass 111-Material für die Isolierschicht. Es ist ein Methylsiloxanpolymer, das eine Schicht des oben genannten SiO _{2 enthält} . Dieses Polymer wird dann mit mehreren zusätzlichen Schichten auf einem Tintenstrahldrucker beschichtet. Die Forscher verwendeten den handelsüblichen Tintenstrahldrucker FujiFilm Dimatix Materials Printer DMP-2850 , der zum Drucken mit verschiedenen Materialien verwendet wird. In diesem Fall werden drei flüssige Materialien benötigt:

1. eine elektrisch leitende Schicht aus Silbernanopartikeln;
2. Schleuderglas (Dielektrikum);
3. PEDOT leitfähiges organisches Polymer: PSS.

Das Ergebnis sind wirklich flexible Platten mit wiederbeschreibbarem Direktzugriffsspeicher. Laut den Autoren der wissenschaftlichen Arbeit erfordert das Umschreiben von Informationen in solche Geräte unter Verwendung eines elektrochemischen Verfahrens einen relativ kleinen Strom: 1 Mikroampere zum Aufzeichnen, 0,5 Volt zum Umschalten in den EIN-Zustand (Bildung eines Metallleiters) und negative Spannung –0,05 Volt zum Umschalten in den AUS-Zustand .


Stromstärke (in Nanoampere) und Spannung während der Aufzeichnung sowie die entsprechenden Widerstands- und Spannungseigenschaften


Die Spannung, die in Bezug auf die Sintertemperatur des Schleuderglases eingeschaltet werden soll

Am wichtigsten ist, dass die Forscher eine Schaltgeschwindigkeit von EIN nach AUS und zurück bei 300 Nanosekunden erreichten. Dies bedeutet, dass der Speicher mit einer Frequenz von 3,33 MHz arbeiten kann. Das ist wirklich eine schnelle Erinnerung.

Interessanterweise sind auf diese Weise hergestellte Speicherzellen möglicherweise Mehrbit-Speicherzellen. Das heißt, durch Variieren der Spannung ist es möglich, in jeder Speicherzelle einen unterschiedlichen Widerstand einzustellen und somit nicht nur 0 und 1 in ihnen, sondern auch andere Werte aufzuzeichnen. Forscher sagen, dass jede Zelle in der Lage ist, acht gut unterscheidbare elektronische Zustände zu akzeptieren (es stellt sich heraus, 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 und 111, dh drei Bits). Es ist noch nicht klar, wie der Drei-Bit-Speicher verwendet werden soll. Vielleicht nur, um die Dichte der Informationsspeicherung zu erhöhen.

Jetzt hängt die Dichte der Speicheraufzeichnung auf der Platte nur noch von der Auflösung ab, mit der der Drucker drucken kann. Das Modell DMP-2850 druckt Zellen mit einer Größe von 100 × 100 Mikron. Durch Verbesserungen der Inkjet-Technologie wird die Speicherkapazität jedoch sofort erhöht.


Eine Speicherzelle unter dem Mikroskop

Wissenschaftler hoffen, dass das Drucken flexibler Elektronik zu ebenso revolutionären Technologien wie der 3D-Druck aus Kunststoff wird. Jeder kann eine neue elektronische Karte für sein Haushaltsgerät drucken oder bei Bedarf einfach RAM für einen PC ausdrucken.

Der gedruckte Speicher hielt 10.000 Lesevorgängen bei 0,1 V erfolgreich stand.

Die wissenschaftliche Arbeit wurde im April 2017 in der Zeitschrift Applied Physics Letters veröffentlicht (doi: 10.1063 / 1.4978664).