Pamięć oparta na nanokryształach krzemu jest jednym z najbardziej obiecujących rozwiązań w dziedzinie technologii pamięci opartej na pojedynczych elektronach. W tej technologii wykorzystuje się zjawisko tunelowania elektronów do nanokryształów o średnicy około 5 nm, co pozwala na precyzyjne kontrolowanie przechowywania ładunku elektrycznego w pamięci. Tego typu pamięci charakteryzują się niezwykle małymi czasami zapisu i odczytu, które osiągają wartości rzędu nanosekund, oraz wysoką niezawodnością i długowiecznością, co czyni je szczególnie atrakcyjnymi w zastosowaniach wymagających długoterminowej stabilności.

W tradycyjnych układach pamięci wykorzystywane są tzw. "wznoszące się" bramy pływające, które są produkowane za pomocą technologii fotolitograficznej. Ich rozmiar jest jednak ograniczony przez warunki produkcyjne. Z kolei w pamięci opartej na nanokryształach, takie "pływające punkty" tworzone są za pomocą metod chemicznych, co pozwala na uzyskanie wyjątkowo małych struktur, które można precyzyjnie manipulować w zakresie przechowywania ładunku.

Zasada działania tego typu pamięci opiera się na zmianach napięcia progowego (Vth) spowodowanych przez przechowywanie ładunków w nanokryształach. Przechowywanie ładunku w nanokryształach sprawia, że napięcie progowe układu zmienia się w sposób wykrywalny, co umożliwia zapis informacji. Wartość przesunięcia napięcia progowego dla pojedynczego elektronu przechowywanego w nanokrysztale wynosi około 0,36 V. Ta zmiana jest łatwo wykrywalna za pomocą pomiarów prądu drenażowego, co stanowi podstawę zapisu i odczytu danych w tego typu pamięci.

Podstawową cechą tej technologii jest długość okresu przechowywania informacji. Nanokryształy wykazują długie czasy utrzymywania ładunków, co oznacza, że informacje mogą być przechowywane przez dni lub nawet tygodnie, bez ich utraty. Dodatkowo, procesy zapisu i kasowania są niezwykle szybkie, z czasami zapisu rzędu 100 ns i czasami kasowania wynoszącymi od 1 ms do kilku milisekund, co pozwala na dużą wydajność systemu pamięci.

Pamięć oparta na nanokryształach krzemu wykazuje wyjątkową stabilność, nawet po przeprowadzeniu miliardów cykli zapisu i kasowania. Testy przeprowadzone na takich układach wskazują na brak degradacji wydajności, co czyni ją niezawodnym rozwiązaniem w kontekście intensywnie wykorzystywanych urządzeń.

Kolejnym istotnym aspektem jest struktura samego urządzenia. W pamięci tej zastosowano cienką warstwę tlenku tunelowego (1,1–1,8 nm), która oddziela powierzchnię odwróconą tranzystora FET od rozproszonej warstwy nanokryształów, pokrywającej cały obszar kanału. Grubszy tlenek tunelowy (ponad 4,5 nm) oddziela nanokryształy od bramy sterującej tranzystora FET. Tunelowanie elektronów zachodzi, gdy brama sterująca jest spolaryzowana w sposób umożliwiający przepływ ładunków do nanokryształów. W ten sposób elektron jest wprowadzany do nanokryształu, co skutkuje zmianą napięcia progowego urządzenia.

Pomimo wysokiej efektywności, pamięć ta boryka się z wyzwaniami związanymi z unikaniem wycieku ładunku. Z czasem część elektronów może opuścić nanokryształ, prowadząc do stopniowej zmiany prądu kanałowego, co jest oznaką utraty informacji. W zależności od napięcia, przy którym przechowywany ładunek ma tendencję do tunelowania, można kontrolować proces wycieku i stabilności przechowywanej informacji. Jednakże, dzięki odpowiedniej strukturze i dobremu doborowi materiałów, czas przechowywania informacji w tych pamięciach może wynosić nawet wiele dni.

W związku z tym, technologia ta znajduje szerokie zastosowanie w zaawansowanych układach pamięci, gdzie trwałość i niezawodność są kluczowe. Możliwość tworzenia układów pamięci o wysoce precyzyjnych, niewielkich rozmiarach, stanowi nieocenioną wartość w kontekście rozwoju miniaturyzacji urządzeń elektronicznych.

Należy również zwrócić uwagę na kwestie związane z efektywnością energetyczną tej technologii. Choć pamięć oparta na nanokryształach wykazuje wyjątkową stabilność, kluczowe jest, aby podczas procesu zapisu i kasowania minimalizować zużycie energii. Testy wykazały, że zmniejszenie gęstości nanokryształów może znacząco ograniczyć straty energii, co stanowi istotny krok ku dalszemu rozwojowi tej technologii.

Jak liczba krawędzi wpływa na spin transport w pierścieniach kwantowych?

W przypadku pierścieni kwantowych z efektem Rashby (RSOI) geometryczne zmiany kształtu mają istotny wpływ na transport spinu, szczególnie w kontekście uzyskiwania działania inwertera spinowego. Badania wskazują na znaczące różnice w zachowaniu różnych kształtów pierścieni, takich jak pierścienie eliptyczne i okrągłe. Zauważono, że liczba krawędzi inskrybowanego wielokąta, który jest używany w strukturach typu AB, ma tylko niewielki wpływ na wartość stopnia odwrócenia spinu (P) w pierścieniu eliptycznym. Dla każdej liczby krawędzi, P pozostaje prawie stały w zależności od siły RSOI (α). Wskazuje to, że pierścień AB o kształcie eliptycznym może skutecznie działać jako inwerter spinowy przy niewielkim α.

Różnica staje się zauważalna w pierścieniu okrągłym. W przypadku okrągłego pierścienia wykres zależności P od α wykazuje duże zmiany w miarę wzrostu liczby krawędzi M. Kiedy M jest małe, tj. pierścień ma kształt kwadratu, sześciokąta lub ośmiokąta, wartość P oscyluje między 1 a −1. Wraz ze wzrostem α, P osiąga wartość −1 przy stosunkowo niskim α (około 2-3 meV.nm). Gdy M staje się większe (M > 8), P maleje monotonicznie i dąży do wartości −1 w miarę wzrostu α. Aby zmniejszyć P do tej samej wartości, α musi wzrosnąć, gdy M rośnie. Oznacza to, że pierścień okrągły ma inny charakter transportu spinu w porównaniu do pierścienia eliptycznego i inskrybowanych wielokątów.

Warto również zauważyć, że pierścień o kształcie eliptycznym lub inskrybowany wielokąt o małej liczbie krawędzi, jak np. regularny sześciokąt, może działać jako inwerter spinowy przy stosunkowo niewielkim α, które wynosi około 16 meV.nm. Wartość ta mieści się w zakresie wartości eksperymentalnych uzyskanych w materiałach takich jak InGaAs, co sugeruje, że takie inwertery spinowe są realizowalne w praktyce.

Z drugiej strony, aby pierścień okrągły działał jako inwerter spinowy, wymagane jest osiągnięcie RSOI o wartości α > 40 meV.nm, co jest trudne do zrealizowania w tradycyjnych półprzewodnikach III-V. Jednakże, niedawno w półprzewodniku Rashby BiTeI uzyskano ogromną wartość RSOI (α > 400 meV.nm), co może otworzyć drzwi do realizacji takich inwerterów spinowych w przyszłości. Choć wymagania dotyczące siły RSOI w pierścieniu okrągłym są duże, możliwe jest, że w niedalekiej przyszłości będzie można osiągnąć odpowiednią wartość α w bardziej powszechnych materiałach.

Wnioski z badań sugerują, że geometria pierścienia ma kluczowy wpływ na transport spinu. Pierścień eliptyczny jest obiecującą opcją do realizacji inwertera spinowego w przypadku, gdy siła RSOI jest niewielka i można ją łatwo kontrolować. Wystarczający może być jedynie przybliżony kształt elipsy. Z kolei, w przypadku dużych wartości RSOI, pierścień okrągły oferuje większą stabilność, ale wymaga trudniejszych do osiągnięcia parametrów.

Badania te wskazują, że zarówno geometria pierścienia, jak i wartość α mają kluczowe znaczenie dla rozwoju technologii spintroniki. Wybór odpowiedniego kształtu pierścienia i kontrolowanie siły RSOI mogą pozwolić na stworzenie efektywnych inwerterów spinowych, które będą miały szerokie zastosowanie w przyszłych urządzeniach spintronowych.

Jak stworzyć własną stronę internetową: Od pierwszego kroku do efektywnego publikowania
Jakie ryzyko wiąże się z leczeniem sepsy i stosowaniem witaminy C w terapii wstrząsu septycznego?
Jak matematyczne podstawy sieci neuronowych wpływają na dokładność modeli?