CN109285577B - 一种基于分子自旋态的超低功耗存储器件及数据存储方法 - Google Patents

一种基于分子自旋态的超低功耗存储器件及数据存储方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于分子自旋态的超低功耗存储器件，该存储器件包括基体、数据存储介质和探针；所述基体为导电基体；所述数据存储介质为自旋态可变有机分子层，自旋态可变分子层中的分子规则排列在导电基体表面；所述探针用于将数据写入数据存储介质和/或读取存储在数据存储介质的数据；所述写入操作包括改变自旋态可变分子层中分子的自旋态，所述读取操作包括检测出自旋态可变分子层中分子的自旋态；所述自旋态可变有机分子为酞菁氯铁分子。本发明通过使用易于实现不同自旋态转变的酞菁氯铁分子作为存储介质，并且在低电压低电流条件下使用横向操纵技术即可容易地控制不同自旋态的转变，实现了器件的超低功耗。

Description

一种基于分子自旋态的超低功耗存储器件及数据存储方法
技术领域
本发明属于存储器件技术领域；具体涉及一种超低功耗存储器件。
背景技术
电子器件的功耗一般指的是电子元器件工作时需要的工作电压与工作电流的乘机。随着集成电路工艺尺寸的逐渐缩小，芯片速度的提高和规模的增大，芯片功耗越来越大。功耗的增加首先会使得耗能增加，同时还使得芯片工作时的温度升高，会降低芯片乃至整个***的工作稳定性，为了增加工作稳定性，需要更加复杂的芯片封装技术和冷却技术，这就增加了整个***的成本。
从节能与控制器件发热等多角度而言电子器件的低功耗具有重要意义。现有的低功耗一般从芯片设计和***设计的两个层面进行考虑。而芯片设计又从自身的功耗和抗辐射能力两个方向进行研究。例如，于增辉等人(于增辉等，一种存储器低功耗优化方法及其应用，微电子学，2010，40(6)：828-835)基于存储器的读/写地址主要以自然顺序连续变化的特定应用场合，提出一种基于折叠与数据打包的存储器结构变换方法，该方法减少存储器深度而增大字长，通过增大每次读出/写入存储器的数据量而减少存储器的访问次数，实现读、写功耗的降低。另外，吴璇等人(吴璇等，一种超低功耗、容错的静态随机存储器设计，现代电子技术，2012，35(8)：167-170)提出了一种由16个晶体管组成的基于DICE结构的SRAM存储单元，可以有效地防止单粒子效应对电路的影响，并且工作在亚阈值电压下时，其漏电流远比工作在标准电压时低，可用于低功耗、好稳定性的电路。另外，Yongfeng Wang等报道了一种吸附在Ag(111)面上的自组装酞菁锡分子层，能够在1.5eV电压下能够实现Sn-上和Sn-下的可逆转变(Yongfeng Wang et al，Pushing and pulling a Sn ion throughan absorbed phthalocyanine molecule,J.Am.Chem.Soc,2009,131(10)：3639-3643)。但是对于酞菁锡分子，用于Sn的不同状态转变的电压较高，在制成器件时所需能耗较高。
发明内容
本发明利用有机分子的自旋态的变化，提出了一种基于分子自旋态的超低功耗存储器件，可以实现信息的超低功耗存储。
本发明的一种基于分子自旋态的超低功耗存储器件，包括基体、数据存储介质和探针；所述基体为导电基体；所述数据存储介质为自旋态可变有机分子层，自旋态可变分子层中的分子规则排列在导电基体表面；所述探针用于将数据写入数据存储介质和/或读取存储在数据存储介质的数据；所述写入操作包括改变自旋态可变分子层中分子的自旋态，所述读取操作包括检测出自旋态可变分子层中分子的自旋态；所述自旋态可变有机分子为酞菁氯铁分子。
进一步，所述写入操作包括通过低电压低电流对有机分子进行横向操纵而改变分子的自旋态；所述读取操作是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振峰。通过探针组件沿着与自旋态可变分子层平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取。
进一步，所述低电压为0.1-10mV，低电流为0.1-100nA；优选地所述低电压为0.1-1mV，低电流为1-10nA；更优选地所述低电压为1mV，低电流为1nA。
进一步，所述导电基体为Ag、Au、Pt基体。
进一步，所述探针的针尖材料为钨合金、铂铱合金、碳纳米管等。
作为本发明的另一方面，本发明还提出了一种使用上述的超低功耗存储器件进行数据存储的方法，该方法包括，
1)在基体表面上形成数据存储介质，所述基体为导电基体，所述数据存储介质为自旋态可变分子层，所述自旋态可变有机分子为酞菁氯铁分子，自旋态可变分子层中的分子规则排列在导电基体表面；
2)使用探针沿着与导电基体平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取，所述探针用于将数据写入数据存储介质和/或读取存储在数据存储介质的数据，所述写入操作包括改变自旋态可变分子层中分子的自旋态，所述读取操作包括检测出自旋态可变分子层中分子的自旋态。
进一步，所述写入操作包括通过低电压低电流对有机分子进行横向操纵而改变分子的自旋态；所述读取操作是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振峰。通过探针组件沿着与自旋态可变分子层平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取。
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种基于分子自旋态的超低功耗存储器件，通过调控分子自旋态的转变，能够实现对信息的超低功耗存储，并且转变后的自旋态非常稳定，可以实现信息的稳定存储。本发明另外还提出了一种使用该存储器件实现数据存储的方法，实现了信息的单分子低功耗写入与读取。本发明从存储介质和写入读取信息的技术出发提出了一种超低功耗的存储技术和器件，通过使用易于实现不同自旋态转变的酞菁氯铁分子作为存储介质，并且在低电压低电流条件下使用横向操纵技术即可容易地控制不同自旋态的转变，实现了器件的超低功耗。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1为根据本发明具体实施方式的超低功耗存储器件的组成结构示意图；
附图2为根据本发明具体实施方式的不同分子构型的图像；
附图3为根据本发明具体实施方式的不同分子构型的微分电导谱。
图中，1、探针组件，2、数据存储介质，3、基体。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，本发明的一种基于分子自旋态的超低功耗存储器件，包括基体3、数据存储介质2和探针1；所述基体3为导电基体；所述数据存储介质2为自旋态可变有机分子层，自旋态可变分子层中的分子规则排列在导电基体表面；所述探针用于将数据写入数据存储介质和/或读取存储在数据存储介质的数据；所述写入操作包括改变自旋态可变分子层中分子的自旋态，所述读取操作包括检测出自旋态可变分子层中分子的自旋态；所述自旋态可变有机分子为酞菁氯铁分子。
进一步，所述写入操作包括通过低电压低电流对有机分子进行横向操纵而改变分子的自旋态；所述读取操作是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振峰。通过探针组件沿着与自旋态可变分子层平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取。
进一步，所述低电压为0.1-10mV，低电流为0.1-100nA；优选地所述低电压为0.1-1mV，低电流为1-10nA；优选地所述低电压为1mV，低电流为1nA。
所述导电基体为Ag、Au、Pt基体。
所述探针的针尖材料为钨合金、铂铱合金、碳纳米管等。
作为本发明的另一方面，本发明还提出了一种使用上述的超低功耗存储器件进行数据存储的方法，该方法包括，
1)在基体表面上形成数据存储介质，所述基体为导电基体，所述数据存储介质为自旋态可变分子层，所述自旋态可变有机分子为酞菁氯铁分子，自旋态可变分子层中的分子规则排列在导电基体表面；
2)使用探针沿着与导电基体平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取，所述探针用于将数据写入数据存储介质和/或读取存储在数据存储介质的数据，所述写入操作包括改变自旋态可变分子层中分子的自旋态，所述读取操作包括检测出自旋态可变分子层中分子的自旋态。
进一步，所述写入操作包括通过低电压低电流对有机分子进行横向操纵而改变分子的自旋态；所述读取操作是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振峰。通过探针组件沿着与自旋态可变分子层平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取。
实施例1
通过对作为基体的金单晶表面进行多轮的氩离子轰击和退火，可以获得单原子尺度平整的Au(111)表面。将酞菁氯铁分子放置在超高真空内，从自制钽舟蒸发到位于室温的Au(111)基体上。在酞菁氯铁分子沉积到在基体表面形成酞菁氯铁分子层后，在分子层的上部设置探针，形成了存储器件。
实施例2
在实施例1的基础上，如图2所示，使用一个铂铱针尖靠近酞菁氯铁分子，在1mV的电压和1nA的电流条件下,沿着与导电基体平行的平面进行扫描，对分子进行横向操纵(横向操纵是指将针尖放置于分子附近的起始位置，再选择针尖运动的终止位置，分子在两点连线上，随着针尖的移动实现对分子的操纵，通过操纵使得分子在基体的表面上发生位移)，使得酞菁氯铁分子的构型发生明显改变，即可以实现分子中心由亮变暗或由暗变亮的可逆可控变化。如图2中A所示，为暗的分子构型，分子的中心比四周低；如图2中B所示，为亮的分子构型，分子中心比四周高。通过横向操纵可实现图2中A、B两种分子构型的相互可逆转变，从而可实现信息的写入过程。将不同的分子构型赋予不同的信息存储状态，如将图2中A作为状态1，图2中B作为状态2，即可实现信息的二进制存储。
为了实现信息的读取过程，分别在分子中心上方检测微分电导谱，即dI/dV谱。与图2中A对应的微分电导谱为图3中A，可发现在0偏压附近有近藤共振峰；与图2中B对应的微分电导谱为图3中B，可发现没有近藤共振峰。从另一方面，也可以验证图2中A和B具有不同的分子构型，图2中A和B的相互转变即为分子发生自旋态的相互转变。并且由于不同的分子构型对应是否有近藤共振峰，因此信息的读取可通过测量自旋信号即近藤共振峰实现。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于分子自旋态的存储器件，其特征在于：该存储器件包括基体、数据存储介质和探针；所述基体为导电基体；所述数据存储介质为自旋态可变有机分子层，自旋态可变有机分子层中的分子规则排列在导电基体表面；所述探针用于将数据写入数据存储介质和/或读取存储在数据存储介质的数据；所述写入包括改变自旋态可变有机分子层中分子的自旋态，所述读取包括检测出自旋态可变有机分子层中分子的自旋态；自旋态可变有机分子为酞菁氯铁分子；
所述写入包括通过低电压低电流对自旋态可变有机分子进行横向操纵而改变自旋态可变有机分子的自旋态；所述读取是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振峰；
所述横向操纵是指将探针的针尖放置于自旋态可变有机分子附近的起始位置，再选择针尖运动的终止位置，自旋态可变有机分子在两点连线上，随着针尖的移动实现对自旋态可变有机分子的操纵，通过操纵使得自旋态可变有机分子在基体的表面上发生位移；
所述低电压为0.1-10mV，低电流为0.1-100nA。
2.根据权利要求1所述的一种基于分子自旋态的存储器件，其特征在于：所述低电压为0.1-1mV，低电流为1-10nA。
3.根据权利要求2所述的一种基于分子自旋态的存储器件，其特征在于：所述低电压为1mV，低电流为1nA。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于分子自旋态的存储器件，其特征在于：所述导电基体为Ag、Au或Pt基体。
5.根据权利要求4所述的一种基于分子自旋态的存储器件，其特征在于：所述探针的针尖材料为钨合金、铂铱合金或碳纳米管。
6.一种使用权利要求1-5中任一项所述的存储器件进行数据存储的方法，该方法包括，
1)在基体表面上形成数据存储介质，所述基体为导电基体，所述数据存储介质为自旋态可变有机分子层，所述自旋态可变有机分子为酞菁氯铁分子，自旋态可变有机分子层中的分子规则排列在导电基体表面；
2)使用探针沿着与导电基体平行的平面进行扫描而实现数据的写入和/或读取，所述探针用于将数据写入数据存储介质和/或读取存储在数据存储介质的数据，所述写入包括改变自旋态可变有机分子层中分子的自旋态，所述读取包括检测出自旋态可变有机分子层中分子的自旋态；
所述写入包括通过低电压低电流对自旋态可变有机分子进行横向操纵而改变自旋态可变有机分子的自旋态；所述读取是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振峰。
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