ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМАЯ ТРОИЧНАЯ ЯЧЕЙКА ПАМЯТИ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНОГО НАНОКОМПОЗИТА
ENERGY-INDEPENDENT TRINARY MEMORY CELL BASED ON CARBON NANOCOMPOSITE

Изобретение относится к области твердотельной наноэлектроники, и может быть использовано для создания энергонезависимых наноразмерных элементов памяти троичных ЭВМ, которые могут найти широкое применение в вычислительной технике.
60
Известна энергонезависимая ячейка памяти (см. Young-Kyun Kwon, David Tománek, Sumio Iijima “Bucky Shuttle” Memory Device: Synthetic Approach and Molecular Dynamics Simulations/ PHYSICAL REVIEW LETTERS. – 1999. – V.82. - № 7. – Р. 1470-1473// doi:10.1103/PhysRevLett.82.1470), содержащая нанотрубку, в полости которой расположены фуллерены, такие как С, эндоэдральный комплекс К@C60.
Недостатком данной ячейки является возможность реализации только двух логических состояний, не рассмотрено распределение заряда на эндоэдральном комплексе и распределение энергии Ван-дер-Ваальса внутри полости ячейки.
Известен элемент памятина основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (см. патент РФ № 160325 по кл. МПК G11B9/04, опубл. 10.03.2016), состоящий из подложки со сформированными на ней нижними электродами, вертикально ориентированными углеродными нанотрубками, синтезированными методом плазмохимического осаждения из газовой фазы и выступающими в качестве функционального элемента памяти, верхних контактных электродов. Между вертикально ориентированными углеродными нанотрубками и верхними электродами с помощью диэлектрических упоров формируется туннельный зазор. Элемент памяти позволяет повысить быстродействие процессов записи и стирания информации до 10 пс, снизить сопротивление контакта между вертикально ориентированной углеродной нанотрубкой и верхним контактным электродом за счет формирования туннельного контакта между ними, и, как следствие, уменьшить значение напряжения переключения между низкоомным и высокоомным состояниями и снизить энергопотребление.
Недостатком этой ячейки памяти является возможность реализации только двух логических состояний.
60
60
х
60
60
Наиболее близкой к заявляемой является углеродная наноструктура (см. патент РФ № 2725899 по кл. МПК H01L31/0352, опубл. 07.07.2020), представляющая собой нанотрубку с киральностью (10, 10), в полости которой у краёв нанотрубки расположены цепочки из трех фуллеренов С, химически соединенных друг с другом и нанотрубкой. Между цепочками из трех фуллеренов внутри нанотрубки также находится свободный фуллерен С, который может нести положительный заряд и перемещаться. Структура также содержит эндоэдральный комплекс К@C, где x=36 или 60 или 80, находящийся в полости одностенной углеродной нанотрубки c триммером фуллерена С. Химически связанные друг с другом и трубкой три фуллерена С создают для свободного фуллерена потенциальные ямы, из которых он не может выйти без внешней вынуждающей силы, но внутри которых он может колебаться.
Недостатком прототипа является наличие только двух потенциальных ям, что не позволяет реализовать наличие трёх состояний ячейки, не рассмотрено распределение энергии Ван-дер-Ваальса внутри полости структуры, время перехода между потенциальными ямами.
Технической проблемой заявляемого изобретения является создание атомистической модели троичной энергонезависимой ячейки памяти на основе углеродных гибридных композитов.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей ячейки памяти до трёх логических состояний.
Для решения поставленной проблемы и достижения заявляемого результата в ячейке памяти на основе углеродного нанокомпозита, содержащего нанотрубку с киральностью (10, 10), в полости которой у открытых краёв нанотрубки расположены триммеры фуллеренов, химически соединенные друг с другом и нанотрубкой, эндоэдральный комплекс К@C60, согласно изобретению, нанотрубка выполнена в виде Т-образного бесшовного элемента, имеющего основание и плечи, ячейка содержит дополнительные триммеры фуллеренов, химически соединенные друг с другом и нанотрубкой и расположенные в полости основания Т-образного элемента у его открытого края, ячейка содержит оксидное кольцо из 60 атомов кислорода и оксидное кольцо из 30 атомов кислорода, которые расположены с внешней стороны нанотрубки на плечах Т-образного элемента, при этом эндоэдральный комплекс К@C60 расположен в полости основания Т-образного элемента.
Изобретение поясняется иллюстрациями, где представлено:
- на фиг. 1 – схема заявляемой троичной ячейки памяти,
- на фиг. 2 – график распределения энергии взаимодействия Ван-дер-Ваальса между эндоэдральным комплексом и остальной структурой ячейки при перемещении эндоэдрального комплекса внутри полости структуры,
- на фиг. 3 – расположения эндоэдрального комплекса в потенциальных ямах.
Позициями на фиг.1 и 3 обозначено:
1 – нанотрубка в виде Т-образного бесшовного углеродного элемента,
60
2 – триммеры фуллеренов С,
3 – эндоэдральный комплекс K@C60,
4 – большое оксидное кольцо из 60 атомов кислорода,
5 – малое оксидное кольцо из 30 атомов кислорода,
6 – расположение эндоэдрального комплекса, соответствующее положению «0» (заряд комплекса равен 0.344е),
7 - расположение эндоэдрального комплекса, соответствующее положению «1» (заряд комплекса равен -0.394е),
8 - расположение эндоэдрального комплекса, соответствующее положению «2» (заряд комплекса равен -1.148е),
9 - зона потенциальной ямы, соответствующая положению фуллерена всостоянии "2", глубина потенциальной ямы 1.913 эВ,
10 - зона потенциальной ямы, соответствующая положению фуллерена всостоянии "0", глубина потенциальной ямы 1.911 эВ,
11 - зона потенциальной ямы, соответствующая положению фуллерена всостоянии "1", глубина потенциальной ямы 1. 929 эВ.
Ячейка памяти представляет собой нанотрубку 1 в виде Т-образного бесшовного углеродного элемента киральностью (10, 10), имеющего плечи и основание. В полости нанотрубки 1 у краёв (плеч и основания) расположены триммеры фуллеренов, химически соединенные друг с другом. Ячейка содержит эндоэдральный комплекс K@C60 3, большое оксидное кольцо 4 из 60 атомов кислорода и малое оксидное кольцо 5 из 30 атомов кислорода. Оксидные кольца 4 и 5 расположены с внешней стороны нанотрубки на плечах Т-образного элемента 1, а эндоэдральный комплекс 3 расположен в полости основания Т-образного элемента 1.
Нанотрубка (Т-образный элемент) 1 имеет диаметр 1.4 нм, длину плеч 11 нм, длину основания - 6 нм.
Большое оксидное кольцо из 60 атомов кислорода представляет собой  атомы кислорода, находящиеся на внешней стороне плеча структуры и химически связанные с атомами углерода Т-образного элемента.
Малое оксидное кольцо из 30 атомов кислорода представляет собой  атомы кислорода, находящиеся на внешней стороне плеча структуры и химически связанные с атомами углерода Т-образного элемента.
Малое и большое кольца располагаются на противоположных плечах.
Устройство работает следующим образом.
Режим хранения информации: положение в каждой потенциальной яме соответствует своему значению трита (0,1,2). Положение комплекса определяется уровнем заряда на эндоэдральном комплексе  и определяется степенью оксидированности края: 0.344е для положения «0», -0.394е для положения «1», -1.148е для положения «2». Данные значения заряда были рассчитаны для структуры в рамках метода SCC DFTB (см. DFTB+, a software package for efficient approximate density functional theory based atomisticsimulations//J. Chem. Phys. 152, 124101. – 2020).
Средствами методов моделирования молекулярной динамики с помощью программно-вычислительного комплекса (ПВК) KVAZAR (см. http:// nanokvazar.ru / razrabatyvaemaia-produktsiia / programmno-vychislitelnyi-kompleks-pvk-kvazar) было установлено, что в отсутствии внешнего воздействия эндоэдральный комплекс может бесконечно долго находиться в потенциальной яме и не менять своего положения, что обеспечивает стабильность и энергонезависимость ячейки.
Режим смены состояния: смена состояния ячейки производится воздействием внешнего электрического поля. Условия, необходимые для перемещения фуллерена между ямами (между положениями «0», «1» и «2»), такие как сила (В/нм) и направление электрического поля в относительных координатах (X; Y; Z), указаны в таблице 1. Вследствие удовлетворения условиям, эндоэдральный комплекс покидает потенциальную яму, в которой находится, и переходит в другую потенциальную яму, отвечающую за другое состояние ячейки. Частота электрического поля 0.457 ТГц. Ориентация системы координат указана на фиг. 3. При этом каждое расположение соответствует определённому состоянию ячейки.
Таблица 1.
Переход
Сила электрического поля
Направление вектора
0-1
1.65
(0;1;-0.75)
0-2
1.65
(0;1;0.75)
1-0
1.65
(0;-0.75;1)
1-2
1.6
(0;0;1)
2-0
1.65
(0;-0.75;-1
2-1
1.6
(0;0;-1)
В таблице 2 представлено время (пс), необходимое для перемещения комплекса между положениями «0», «1» и «2».
Таблица 2.
Переход
Время
0-1
13.5
0-2
13.5
1-0
13.5
1-2
10.6
2-0
13.5
2-1
10.6
График распределения энергии взаимодействия Ван-дер-Ваальса между эндоэдральным комплексом и остальной структурой ячейки при перемещении эндоэдрального комплекса внутри полости структуры, представленный на фиг. 2, был получен в программном пакете RING - Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010612881 "Программа для моделирования наноструктур (Ring)". Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 28.04.2010 г. Авторы: О.Е. Глухова, О.А. Терентьев. Расстояния на графике указаны в ангстремах.
Предлагаемая ячейка памяти обладает тремя стабильными состояниями, является энергонезависимой.