Forschung -

Datenspeicher im Nanoformat

Um die Datenflut der Zukunft zu beherrschen, wollen Forscher Datenspeicher entwickeln, die ein um den Faktor 1000 kleineres Format haben als gängige nicht flüchtige Speicher. Allerdings hat es bislang bei der Bildung atomarer Strukturen einen Zielkonflikt zwischen Herstellungsaufwand und thermischer Stabilität gegeben.

Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt zerstören leicht produzierbare komplexe Nanogebilde. Umgekehrt lassen temperaturunempfindliche Systeme nicht die gleiche Handhabung zu. Zusätzlich beschränkt die schlechte elektrische Isolierung zum Hilfsmaterial die Realisierung funktionaler Anwendungen im atomaren Maßstab. Die Wasserstofflithographie hat sich als vielversprechend erwiesen, diese Hürden zu überwinden. Diese Technik entfernt gezielt einzelne Wasserstoffatome auf Siliziumoberflächen oder fügt diese wieder hinzu.

Für solche stabile, wiederbeschreibbare Nanospeichermedien wären beispielsweise Anwendungen in der Datenarchivierung denkbar. „Im Prinzip kann man alle 45 Millionen Songs von iTunes aufnehmen und auf der Oberfläche einer Vierteldollarmünze speichern“, sagt Roshan Achal, Doktorand an der Physikfakultät der University of Alberta in Edmonton, Kanada. Während bisherige Forschungsprojekte den Fokus hauptsächlich auf die Erhöhung der Präzision gelegt haben, wollen die Wissenschaftler nun die Fehlerbehebung und Automatisierung des Prozesses verbessern, um die Technologie industriell einsetzbar zu machen.

Dazu setzen sie ein Rastertunnelmikroskop (Scanning Tunneling Microscope, STM) ein, das mithilfe einer Nanospitze den Strom misst, der durch den quantenmechanischen Tunneleffekt entsteht und somit die Topographie von Oberflächen mit atomarer Auflösung abbildet. Die Bilder zeigen Flächen mit einer Größe zwischen 10 × 10 und 40 × 40 nm², und bestimmen den Ort der Wasserstoffatome im Gitter. Kleinste Abweichungen würden dazu führen, dass die falschen Atome adressiert werden.

Die Nanospitze des STM wird über jede Gitterstelle bei 50 pA gemessenem Strom ausgerichtet. An der Probe wird eine pulsierende Spannung von 1,8 bis 3,0 V und 20 ms Periodendauer angelegt. Unelastische, niedrigenergetische Elektronenstreuungen brechen die ausgewählte Si-H-Verbindung auf und legen das unbewegliche Siliziumatom mit unvollständiger Valenz frei. Die unbesetzte Bindung (DB, Dangling Bond) kann man sich als Quantenpunkt vorstellen, dessen Elektronenzustand in der Siliziumbandlücke isoliert ist. So ein DB bleibt bei Temperaturen bis 500 K stabil.

Um Fehler auszubessern, fahren die Wissenschaftler mit ihrem neu entwickelten Tool gezielt einzelne Gitterstellen an und führen eine Repassivierung durch. Das Programm positioniert die Spitze des STM mit einem Abstand von 500 bis 800 pm über dem DB. Die Spannung der Probe muss auf 100 mV bis 1,0 V eingestellt werden, bis sich ein Wasserstoffatom an das Silizium heftet. Dieser Vorgang dauert durchschnittlich 1 s.

Zur Demonstration haben die Forscher unter anderem die ASCII-Darstellung des Alphabets auf einen Nanospeicher geschrieben. Vier Gitterstellen definieren ein Bit, um ausreichend Platz zu benachbarten DBs zu lassen. Eine Kontrollarchitektur reduziert unter konservativen Annahmen 20 % der Speicherdichte. Dennoch erreicht diese Anordnung eine Dichte von 138 TBit/cm². Einen Buchstaben zu schreiben, dauert allerdings 10 bis 120 s, je nachdem wie viele DBs erstellt und repassiviert werden. Der nächste Schritt des Projekts an der University of Alberta ist daher, die Auslese- und Schreibgeschwindigkeit zu erhöhen.

R. Ashal et al.: Lithography for Robust and Editable Atomic-Scale Silicon Devices and Memories; Nature: Communications 9 (2778), 2018

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