Minneschipsen i telefoner, bärbara datorer och andra elektroniska enheter måste vara små, snabbt och dra så lite ström som möjligt. I åratal, kiselchips har infriat det löftet.

Men för att dramatiskt förlänga batteritiden för mobila prylar, och att skapa datacenter som använder mycket mindre energi, ingenjörer utvecklar minneschips baserade på nya nanomaterial med kapacitet som kisel inte kan matcha.

I tre senaste experiment, Stanfords ingenjörer demonstrerar material och teknologier efter kisel som lagrar mer data per kvadrattum och använder en bråkdel av energin från dagens minneschip.

Den förenande tråden i alla tre experimenten är grafen, ett extraordinärt material som isolerades för ett decennium sedan men som hade, tills nu, relativt få praktiska tillämpningar inom elektronik.

En renad släkting till blyertspenna, grafen bildas när kolatomer länkar samman till ark som bara är en atoms tjocka. Atomtunt grafen är starkare än stål, lika ledande som koppar och har termiska egenskaper användbara i elektronik i nanoskala.

"Graphene är stjärnan i denna forskning, sa Eric Pop, docent i elektroteknik och medverkande i två av de tre minnesprojekten. "Med dessa nya lagringstekniker, det skulle vara tänkbart att designa en smartphone som kunde lagra 10 gånger så mycket data, använder mindre batterikraft, än det minne vi använder idag."

Professor H.-S. Philip Wong och Pop ledde en internationell grupp av kollaboratörer som beskriver tre grafencentrerade minnesteknologier i separata artiklar i Nature Communications, Nanobokstäver och tillämpad fysikbokstäver.

Även om konsumenter kanske uppskattar den mobila tillämpningen av dessa nya tekniker, Ingenjörer tror att minneschips efter silikon också kan förvandla serverfarmar som måste lagra och ge snabb åtkomst till de enorma mängderna data som lagras i molnet.

"Datalagring har blivit en betydande, storskalig elkonsument, och nya solid-state-minnesteknologier som dessa kan också förvandla cloud computing, " sa Wong.

Minnesförnyelse

Minneschips lagrar data som en sträng av ettor och nollor. Idag är de flesta minneschips baserade på kisel, och finns i två grundläggande typer - flyktiga och icke-flyktiga. Flyktiga minne, såsom RAM-minne (Random Access Memory), erbjuder snabb men tillfällig lagring. När strömmen stängs av, nollorna och ettorna försvinner.

Icke-flyktigt minne, som flashminnet i mobiltelefoner, är långsam men stabil. Även om batteriet tar slut finns data kvar.

De Stanford-ledda ingenjörerna visar hur man skapar minne med hastigheten av RAM och blixtens uthållighet genom att använda nya material och teknologier som kräver mindre energi än kisel för att lagra nollorna och ettorna.

I Nature Communications, Wong arbetade med postdoktor Seunghyun Lee och doktorand Joon Sohn på en teknik som kallas resistivt slumpmässigt minne, eller RRAM för kort.

I RRAM-chips, små stötar av elektricitet växlar vissa metalloxider mellan resistiva och ledande tillstånd. När metalloxiderna motstår flödet av elektroner, som skapar en nolla. När materialen leder elektroner, det är en etta. RRAM är snabbt, som flyktigt silikonminne, men som flashminne behåller den lagrad data när strömmen stängs av.

Detta arbete visar möjligheten att konstruera icke-flyktigt RRAM samtidigt som data lagras tätt utan att förbruka mer energi.

Nya faser av minnet

I två andra tidningar, publiceras i Bokstäver i tillämpad fysik och Nanobokstäver , Pop och Wong ledde forskarlag som använde grafen för att göra framsteg med en annan men konceptuellt liknande lagringsmetod som kallas fasförändringsminne.

I fasförändringsminne, en liten stöt av elektricitet orsakar en legering av germanium, antimon och tellur för att ändra dess atomära struktur. Ett ryck förvandlar atomerna till en vanlig, kristallin struktur som tillåter elektroner att flöda, noteras som en digital. Ett andra ryck gör strukturen oregelbunden, eller amorf, skapar en nolla. Varje ryck växlar snabbt fasförändringsmaterialet från ett till noll. Som RRAM, den behåller sina lagrade data när strömmen stängs av.

I uppsatsen Applied Physics Letters, Pop ledde ett team som inkluderade tidigare studenter vid University of Illinois Urbana-Champaign och medarbetare vid universiteten i Modena och Bologna i Italien. De använde band av grafen som ultratunna elektroder för att skära fasförändringsminnesceller, som spett med marshmallows. Denna uppställning utnyttjade också den atomiskt tunna kanten av grafen för att trycka in ström i materialet, och ändra dess fas, återigen på ett extremt energieffektivt sätt.

I tidningen Nano Letters, Pop och Wong använde både de elektriska och termiska egenskaperna hos grafen i ett fasförändringsminne. Dock, i en twist, här använde de ytan på grafenarket för att komma i kontakt med fasförändringsminneslegeringen. I huvudsak, grafenet hindrade värmen från att läcka ut ur fasförändringsmaterialet, skapa en mer energieffektiv minnescell.

Dessa studier visar att grafen är långt ifrån en laboratoriekuriosa, säger Pop och Wong. Materialets unika elektriska, termiska och atomärt tunna egenskaper kan utnyttjas för att skapa mer energieffektiv datalagring. Sådana egenskaper finns inte i kiselvärlden, ändå skulle kunna förändra hur vi lagrar och kommer åt vår digitala data i framtiden.