Schnellere, kleinere, intelligentere und energieeffizientere Chips: Die kleinste Atom-Speichereinheit der Welt geschaffen.

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Schnellere, kleinere, intelligentere und energieeffizientere Chips für alles, von der Unterhaltungselektronik über große Datenmengen bis hin zu hirninspirierten Computern, könnten schon bald auf den Weg gebracht werden, nachdem Ingenieure der University of Texas in Austin den bisher kleinsten Speicherbaustein entwickelt haben. Und dabei fanden sie die physikalische Dynamik heraus, die dichte Speicherfähigkeiten für diese winzigen Bausteine freisetzt.

Die vor kurzem in Nature Nanotechnology veröffentlichte Forschungsarbeit baut auf einer Entdeckung von vor zwei Jahren auf, als die Forscher das damals dünnste Speicherbauelement schufen. Bei dieser neuen Arbeit reduzierten die Forscher die Größe noch weiter, so dass die Querschnittsfläche auf nur noch einen einzigen Quadratnanometer geschrumpft ist.

Indem sie die Physik in den Griff bekamen, die dichte Speicherfähigkeiten in diese Geräte packt, konnten sie diese viel kleiner machen. Defekte oder Löcher im Material sind der Schlüssel zur Erschließung der Speicherfähigkeiten mit hoher Speicherdichte.

“Wenn ein einzelnes zusätzliches Metallatom in dieses nanoskalige Loch eindringt und es füllt, verleiht es dem Material einen Teil seiner Leitfähigkeit, was zu einer Veränderung oder einem Speichereffekt führt”, sagte Deji Akinwande, Professor in der Fakultät für Elektrotechnik und Computertechnik.

Obwohl sie Molybdändisulfid – auch als MoS2 bekannt – als primäres Nanomaterial in ihrer Studie verwendet haben, glauben die Forscher, dass die Entdeckung auf Hunderte von verwandten atomar dünnen Materialien anwendbar sein könnte.

Beim Wettlauf um die Herstellung kleinerer Chips und Komponenten geht es um Leistung und Komfort. Mit kleineren Prozessoren kann man kompaktere Computer und Telefone herstellen. Aber schrumpfende Chips verringern auch ihren Energiebedarf und erhöhen die Kapazität, was schnellere, intelligentere Geräte bedeutet, die weniger Energie zum Betrieb benötigen.

“Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse ebnen den Weg für die Entwicklung von Anwendungen der künftigen Generation, die für das Verteidigungsministerium von Interesse sind, wie z.B. ultra-dichte Speicher, neuromorphe Computersysteme, Hochfrequenz-Kommunikationssysteme und mehr”, sagte Pani Varanasi, Programm-Manager für das Forschungsbüro der US-Armee, das die Forschung finanziert hat.

Das ursprüngliche Gerät – vom Forschungsteam als “Atomristor” bezeichnet – war damals das dünnste Speichergerät, das jemals aufgezeichnet wurde, mit einer einzigen atomaren Schicht von einer Dicke. Aber beim Schrumpfen eines Speichergeräts geht es nicht nur darum, es dünner zu machen, sondern auch darum, es mit einer kleineren Querschnittsfläche zu bauen.

“Der wissenschaftliche Heilige Gral für die Skalierung geht bis zu einem Niveau hinunter, bei dem ein einzelnes Atom die Speicherfunktion kontrolliert, und genau das haben wir in der neuen Studie erreicht”, sagte Akinwande.

Akinwandes Gerät fällt in die Kategorie der Memristoren, ein beliebtes Gebiet der Speicherforschung, bei dem es um elektrische Komponenten geht, die den Widerstand zwischen ihren beiden Anschlüssen verändern können, ohne dass ein dritter Anschluss in der Mitte, das so genannte Gate, erforderlich ist. Das bedeutet, dass sie kleiner als die heutigen Speichergeräte sein können und mehr Speicherkapazität aufweisen.

Diese Version des Memristor – entwickelt mit den fortschrittlichen Einrichtungen des Oak Ridge National Laboratory – verspricht eine Kapazität von etwa 25 Terabit pro Quadratzentimeter. Das ist eine 100 Mal höhere Speicherdichte pro Schicht im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Flash-Speicherbausteinen.

Referenz: “Observation of single-defect memristor in an MoS2 atomic sheet” von Saban M. Hus, Ruijing Ge, Po-An Chen, Liangbo Liang, Gavin E. Donnelly, Wonhee Ko, Fumin Huang, Meng-Hsueh Chiang, An-Ping Li und Deji Akinwande, 9. November 2020, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-020-00789-w.

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