Атомарные запоминающие среды. Пути реализации проблемы

Самоорганизующиеся упорядоченные системы, формирующиеся на поверхности твердых тел — возможность создания запоминающих сред с плотностью записи 1 Тбит/см². Для анализа стабильности структурной ячейки упорядоченной системы после локальной модификации туннельным зондом предлагается использовать принцип постоянства объема в кристаллических решетках.

Широкое развитие техники сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) показало возможность использования туннельного зонда в качестве инструмента для локального изменения поверхности твердых тел. Воздействие зонда на поверхность позволяет изменять как ее топографию, так и различные физические и химические свойства. Успешные попытки модификации поверхности в областях нанометрового и субнанометрового размера послужили предпосылкой для постановки работ по созданию накопителей информации терабитовой емкости — атомарных запоминающих сред.

Большинство работ по локальной модификации поверхности основано на применении таких способов воздействия, когда модифицированный участок включает большое (десятки, сотни и более) и, что наиболее существенно, неопределенное количество атомов. Поскольку величина туннельного тока экспоненциально зависит от расстояния между зондом и поверхностью (или от величины работы выхода) в заданном ее участке, при считывании СТМ массива сформированных локальных неоднородностей возникнут значительные шумы за счет флуктуаций их размеров или иных свойств. Эти шумы послужат серьезным ограничением для использования систем такого типа в качестве запоминающих сред.

В то же время имеется целый ряд примеров воспроизводимого изменения туннельным зондом участков поверхности размером не более 1 нм. Известные способы модификации поверхности в субнанометровом диапазоне условно можно разделить на группы (см. таблицу). Эти методы локальной модификации поверхности могли бы, в принципе, найти применение для создания накопителей информации терабитовой емкости. Однако одной из серьезнейших проблем на этом пути является выбор подложки.

Результаты проведенных расчетов свидетельствуют о возможности достижения плотности записи порядка 1 Тбит/см² при сохранении скорости считывания и вероятности сбоя на уровне традиционных запоминающих устройств (I0⁵ бит/с и 10^-5, соответственно), если разброс вертикальных размеров элементов среды не превышает 0,02 нм (для элементов с латеральными размерами 3 нм и вертикальными — 0,2 нм).

Создание элементов с вышеуказанной плотностью традиционными технологическими методами невозможно. Они могут быть получены только на основе самоорганизующихся упорядоченных систем, формирующихся в определенных условиях на поверхности твердых тел, с атомарно-идентичными элементами записи. Необходимым условием реализации запоминающей среды терабитовой емкости являются также атомная гладкость и электропроводность поверхности с упорядоченной структурой.

Запоминающее устройство на основе упорядоченных поверхностных систем может быть организовано следующим образом. Зонд СТМ, сканируя по поверхности, регистрирует существующий на ней рельеф, периодически изменяющийся с шагом упорядоченной структуры и определяющийся числом связей поверхностных атомов и их окружением.

При воздействии на определенные узлы упорядоченной системы (например, «залечивании» незамкнутых связей поверхностных атомов примесями в процессе адсорбции, стимулированной электрическим полем в туннельном зазоре) происходит изменение их электронных свойств, которое отражается на величине регистрируемого туннельного тока, и соответствующее изменение структуры ячейки. Модифицированная поверхностная ячейка соответствует логической «1». Производя такое воздействие в определенной последовательности, получаем записанную на поверхности информацию, считывание которой также будет производиться зондом СТМ (рис. 1, а).

Рис. 1. Схема организации атомарного запоминающего устройства: 1 — кристаллическая подложка (запоминающая среда), 2 — ячейки памяти, 3 — метка совмещения, 4 — туннельный зонд, 5 — адресный блок, 6 — координатный блок, 7 — двигатель (а) и расчетные СТМ профили перестроенной поверхности кремния Si (100) до (верхняя кривая) и после (нижняя кривая) локальной модификации в водородсодержащей среде как пример записи бита информации в структурную ячейку упорядоченной поверхностной системы (б)

Применение ячеек упорядоченных систем для записи информации поможет упростить решение проблемы адресации при считывании информации. Поверхностная гофрировка, которая в некоторых типах запоминающих устройств искусственно создается для адресации, в данном случае присутствует естественно и благодаря этому обеспечивается высокая точность считывания, и наиболее высокая скорость.

При создании атомарных запоминающих сред необходимо решить проблему обеспечения временной стабильности ячеек. Ее суть заключается в ограничении структурного изменения, стимулированного действием зонда СТМ, границами фиксированного числа ячеек структуры (в предельном случае — границами одной ячейки) и необратимостью этого изменения. Предлагается использовать принцип постоянства объема в кристаллических решетках для оценки стабильности элементов, полученных при модификации структуры поверхностных ячеек в упорядоченных системах.

Согласно этому принципу, перестроенная поверхностная ячейка должна быть стабильна в том случае, если суммарный объем атомов, находящийся на ее площади, равен объему атомов на площади той же неперестроенной ячейки. Условие стабильности определяет следующее соотношение:

где N_ri и N_n — концентрации атомов в перестроенном и неперестроенном слоях структурной ячейки, V_ri и V_n — объем, приходящийся на один атом в этих слоях, соответственно, a q — общее количество перестраивающихся слоев. Следует отметить, что термин «объем» в данном случае выступает не как геометрический параметр, а как характеристика взаимодействия атомов в кристаллической решетке. Величины V_ri и V_n зависят от количества валентных электронов в атоме (собственном или примесном) и количества связей, образуемых данным атомом с ближайшими соседями.

С использованием результатов расчетов в рамках принципа постоянства объема можно выбирать подложки, на которых формируются упорядоченные структуры с необходимым периодом, и примеси для целенаправленного залечивания незамкнутых связей поверхностных атомов, обеспечивающего необратимое изменение структуры в пределах фиксированного числа ячеек.

В качестве наиболее простого и наглядного примера записи бита информации в ячейку упорядоченной системы можно назвать воздействие зонда СТМ в водородсодержащей среде на димеры кремния, образующиеся на реконструированной поверхности Si (100) — 2 х 1. Разрыв связей в димере и образование двух Si-H связей практически не изменяет суммарного объема атомов в выбранной для локальной модификации ячейке, и поэтому такая структура должна оставаться стабильной и не вызовет перестройки окружающих структурных ячеек. В то же время следует ожидать значительного изменения величины туннельного тока в перестроенной ячейке (рис. 1, б).

Следует отметить, что принцип постоянства объема дает «точку отсчета» для выбора запоминающей среды и должен дополняться анализом электронных состояний атомов в локально перестроенной ячейке.

Упрощение системы считывания информации из атомарной запоминающей среды определяет интерес к использованию упорядоченных поверхностных систем с достаточно большим периодом (1—5 нм), стабильных на воздухе. Наиболее удобной модельной поверхностью для формирования таких систем являются подложки из графита С (0001).

Сотрудниками Государственного НИИ физических проблем им. Ф. В. Лукина разработаны методы создания упорядоченных систем на поверхности графита с использованием как физически, так и химически адсорбированных слоев. Период получаемых структур изменяется в широких пределах (от 0,3 до 4,5 нм). На рис. 2 представлены СТМ изображения двух синтезированных структур, период которых отличается почти на порядок величины.

Рис. 2. СТМ-изображения поверхности графита с упорядоченными системами, подученными методом химической сборки поверхности из оксихлорида ванадия (а) и триметилхлорсилана (б)

Создание атомарных запоминающих устройств предполагает рассмотрение широкого спектра операций, связанных с подготовкой запоминаемой информации, ее перекодировкой, формированием запоминающей среды, определением режимов записи и считываниями др. Характеристики всех этих операций являются взаимозависимыми, и анализ их в совокупности позволяет выявить основные параметры запоминающих сред и факторы, определяющие их величину.

Среди основных параметров атомарных запоминающих сред можно выделить:
- Плотность записи. Ее величина определяется в основном параметрами туннельного зонда (диаметром острия) и параметрами ячеек упорядоченной поверхностной структуры.

- Скорость записи. Она зависит, главным образом, от параметров упорядоченной поверхностной структуры и используемого метода (механизма) записи (см. таблицу). Запись информации в единичные структурные ячейки упорядоченной системы обеспечит наивысшую скорость записи, поскольку воздействие туннельного зонда инициирует перераспределение единичных атомов в ячейке.

- Достоверность считывания. Ее величина существенно зависит от параметров записывающего и считывающего инструментов, но в не меньшей степени и от параметров упорядоченной системы. В частности, при считывании величины туннельного тока важное значение имеет разброс элементов записи по высоте, поскольку при отходе зонда СТМ от поверхности всего на 0,2 нм, туннельный ток падает на порядок величины. Для увеличения достоверности считывания можно рекомендовать использование в качестве элементов записи крупных и идентичных по размеру кластеров, например, фуллеренов.

- Информационная емкость. Она определяется размерами ячеек записи и протяженностью атомно-гладких участков поверхности с упорядоченной структурой.

- Скорость считывания. Ее величина зависит как от характеристик инструмента считывания, так и от некоторых параметров упорядоченной системы (в частности, шума тока считывания). Последний определяет разрешение двух соседних модифицированных структурных ячеек. Для элементов протяженностью около I нм приемлемая скорость считывания достигается при скорости сканирования зонда порядка I см/с в режиме постоянной высоты зонда.

Среди параметров атомарных запоминающих сред можно назвать также время хранения информации (т.е. время снижения достоверности считывания до некоторой предельной- величины) и максимальное число циклов считывания.

На сегодняшний день отсутствуют общепризнанные методы определения параметров атомарных запоминающих сред, ведутся дискуссии и по их предельным величинам. Однако важно подчеркнуть, что разрабатываемые методы испытания атомарных запоминающих сред должны анализировать их параметры только как единого комплекса.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 93-03-5372).