专利名称：采用碳素物质的可重写数据存储器及其写/读方法
技术领域：
本发明涉及可重读数据存储器及其写/读方法，而更详细地说，涉及采用通过控制施加在微尖电极头和存储基片之间的偏置电压而形成的碳素物质的可重写数据存储器及其写/读方法。
常规的数据存储方法包括铁电材料极化方法、聚合物热转换方法、磁性材料相变方法、防耐材料相变方法、通过使金属或半导体氧化的相变方法等等，然而在写时间、数据保存等等方面有一些优点和缺点。
这些常规方法中的某些方法不是可重写的，或者即使这些方法是可重写的，也有在记录媒体经历相变的写入/擦除周期期间损坏材料性能和耐久性差的不可避免的问题。
为了解决上述的一些问题，本发明的目的是提供一种采用碳素物质的可重写数据存储器及其写/读方法，没有因相变而降低耐久性和材料性能的问题。
因此，为了达到上述的目的，根据本发明提供的采用碳素物质的可重写数据存储器，包括由基片和在基片上沉积的导电层组成的写入板；以及用于形成或消除以点形式代表在导电层上记录信息的碳素物质的尖电极头。
在本发明中，最好是由SiO2/Si组成基片，通过沉积Au而形成导电层，并且通过在成尖头形状的Si芯子上镀Ti而形成尖电极头。
此外，为了达到上述的目的，提供根据本发明的采用碳素物质的可重写数据存储器，包括由在基片上形成有条状的导电层图形的基片组成的写入板，以及为了形成或消除以点形式代表在导电层图形上记录信息的碳素物质，而沿着横跨条状导电层图形的悬臂以阵列形式设置的、具有与条状导电层图形相对应的有规律的间距的尖电极头。
在本发明中，最好是由SiO2/Si构成基片，通过沉积Au而形成导电层，并且通过在成尖头形状的Si芯子上镀Ti而形成尖电极头(tip)。
此外，为了达到上述的目的，提供根据本发明采用碳素物质的可重读数据存储器的写/读方法，可重读数据存储器包括由基片和在基片上形成的导电层构成的写入板，以及用于形成或消除以点形式代表在导电层上记录信息的碳素物质的尖电极头，写/读方法包括(a)通过对尖电极头和导电层之间施加偏置电压和在导电层上形成碳素物质而写入信息，(b)通过对尖电极头和导电层之间施加与写入步骤中施加的偏置电压相反极性的电压和消除已经形成的碳素物质而擦除信息，以及(c)通过导电层和碳素物质之间辩认构形读出信息。
在本发明中，通过控制施加在导电层和尖电极头之间的偏置电压的值，或者施加偏置电压的持续时间来选择在步骤(a)中形成的碳素物质点的尺寸。同样，通过控制施加在导电层和尖电极头之间间隙两端上的偏置电压的幅值或者施加偏置电压的持续时间来选择在步骤(b)中消除的碳素物质点的尺寸。此外，最好利用导电层和碳素物质之间电容差异、电阻差异、磨擦系数差异和高度差异的其中之一进行步骤(c)。
此外，为了达到上述的目的，还提供根据本发明采用碳素物质的可重写数据存储器的写/读方法，可重写数据存储器包括由通过在基片上沉积导电体形成有条状的导电层图形的基片组成的写入板，以及为了形成或消除以点形式代表在导电层图形上记录的信息的碳素物质而在横跨有条状的导电层图形的悬臂中排列成具有与有条状的导电层图形相对应的有规律的间距的阵列的尖电极头，写/读方法包括(a)通过使悬臂定位、对悬臂中的尖电极头和所选择的导电层图形之间施加预定的偏置电压以及在所选择的导电层图形上的所选择的区域内形成碳素物质点而写入信息；(b)通过使悬臂定位，悬臂中的尖电极头和所选择的导电层图形之间间隙施加与写入步骤中施加的偏置电压相反极性的电压并消除已经形成的碳素物质而擦除信息，以及(c)通过导电层图形和碳素物质之间辨认构形(deciphering topograph)读出信息。
在本发明中，通过控制施加在导电层图形和悬臂中的尖电极头之间的偏置电压的值，或者施加偏置电压的持续时间来选择在步骤(a)中形成的碳素物质点的尺寸。通过控制施加在导电层图形和悬臂中的尖电极头之间的偏置电压的值，或者施加偏置电压的持续时间来选择在步骤(b)中消除的碳素物质点的尺寸。最好利用导电层图形和碳素物质之间电容差异、电阻差异、摩擦系数差异和高度差异的其中之一进行步骤(c)。
附图的简略描述通过参考附图详细描述其最佳实施例，本发明的上述的目的和优点将更为显而易见，其中
图1A和1B是表示根据本发明实施例的一种采用碳素物质的可重写数据存储器的基本结构和操作原理的附图，而图1A是表示写入步骤的附图，图1B是表示擦除步骤的附图，图2A一直到2D是用原子冲头显微镜(AFM)读出的应用图1A和1B所说明的原理实际上形成的碳素物质图像，而图2A是通过对尖电极头加-6V在金属层上写入矩形碳微结构以后用AFM读出的矩形碳微结构图像；图2B是通过对尖电极头加+5V在擦除一部分图2A的矩形信息(中心的黑色部分)以后用AFM读出的图像；图2C是在读出图2B以后通过对尖电极头加+5V和擦除三部分点信息用AFM读出的图像；图2D是在通过对尖电极头加-6V在图2B中被擦除的中心内重新写入信息以后用AFM读出的图像；图3是用AFM读出的在根据图1A和1B所说明的方法变换施加在基片和尖电极头之间的偏置电压的不同值的情况中形成的碳素物质点图像；图4A和4B是表示俄歇(Auger)电子能谱(AES)分析结构以便得出用图1A和1B所说明的方法写入的信息的图像及其物质组成的图。
图5A一直到5C是说明对大面积可重写数据存储器应用图1A和1B所说明的写/读方法的原理的例子的附图。
在下文，将参考附图非常详细地描述根据本发明的采用碳素物质的可重写数据存储器及其写/读方法。
图1A和1B表示根据本发明的采用碳素物质的可重写数据存储器实施例的基本结构。可重写数据存储器包括基片，例如SiO2基片10，和通过沉积导电层20，例如在基片10上沉积Au，形成的Au/SiO2/Si写入板100。此外，为了形成或消除代表记录在导电层20上的信息的呈点形状碳素物质而构成悬臂尖电极头50。关于这一点，采用像成为由镀在Si悬臂尖头形状上的Ti组成悬臂尖电极头50的AFM尖电极头之类的扫描探针显微镜(SPM)系列尖电极头是最可取的。在这里，标记数词40是像在Au薄层表面上能够得到空气中的CO2、H2O、O2、N2、CH4之类的残留气体种类。
采用碳素物质的上述的结构的可重写数据存储器及其写/读方法如下所述。
如果在悬臂尖电极头50和Au/SiO2/Si写入板100之间(间隙两端上)施加偏置电压(V)，则在Au导电层20上形成碳素物质30。关于这一点，如果改变在Au/SiO2/Si写入板100和悬臂尖电极头50之间(间隙两端上)施加的偏置电压，则碳素物质点的尺寸是彼此不同的。通过检测出不同尺寸的碳素物质点的形状读出信息。
就是说，如图1A所说明的那样，用安装到AFM的悬臂尖电极头50把偏置电压(-V)施加在所需要写入部分的悬臂尖电极头50和导电层20(Au层)之间，而形成碳素物质。可以把这样的步骤称之为“写入”。
同样，如图1A所说明的那样，用安装到AFM的悬臂尖电极头50把相反极性的偏置电压(+V)施加在所需要擦除部分的悬臂尖电极头50和导电层20(Au层)之间，而擦除碳素物质。可以把这样的步骤称之为“擦除”。
此外，当读记录时施加零电压，检测并读出导电层(Au层)20表面的损坏部分和未损坏部分之间的构成或者在材料性能上的差异或者在电性能上的差异。可以把这样的步骤称之为“读出”。作为这样的读出方法，可以有利用在通过在悬臂尖电极头50和Au/SiO2/Si写入板100之间施加电压而形成为点的碳素物质30和原先导电层(Au层)20的物理性能上差异的各种各样方法。
例如，有利用通过在悬臂尖电极头50和Au/SiO2/Si写入板100之间施加偏置电压而形成的碳素物质30和原有导电层部分(Au层)20之间的构形、在电容上的差异、在电阻上的差异或在摩擦系数上的差异的一些读出方法。
在下文详细地描述采用如图1A和1B所说明的碳素物质的可重写数据存储器的结构原理。
设置包括在SiO2/Si基片10上形成的导电层(Au层)20的写入板100，和在写入板100之上配置包括镀在成尖头状Si芯子上的Ti的悬臂尖电极头50。下一步，在写入板中的导电层20和悬臂尖电极头50之间间隙两端上施加有规律的电压和把电子发射到空气里(就是说，引起放电)。发射的电子通过在写入板100中的导电层20上的存在在空气中的CO2、H2O、N2、O2、CH4等等的电化学反应把碳素物质就地沉积在写入板中的导电层20上。如果擦除所写入的信息，则通过施加相反极性的电压而引起电化学反应(或电压或电流引起电化学分解/解吸)，并且以导电层20消除存储的碳素物质30。
在读出所写入的信息和被擦除的信息之间差异时，是通过检测原有的导电层和所生长的碳素物质之间构形而读出的。
图2A一直到2D说明用AFM读出的实际形成碳素物质的图像。
图2A是通过对尖电极头施加-6V在Au层上写入碳微结构以后读出的矩形碳微结构的图像。图2B是通过对电极头施加+5V在擦除一部分而保留在中心的黑色部分以后用AFM读出的图2A的矩形形状的图像。图2C是通过对尖电极头施加+5V在擦除三个多原有的点形状的部分以后用AFM读出的矩形结构的图像。图2D是通过对尖电极头施加-6V在把信息(白点)写入早先擦除的中心以后用AFM读出的矩形结构的图像。如图2A一直到2D顺序地说明的那样，通过在悬臂尖电极头50和导电层20之间间隙两端上施加极性变换的偏置电压，能够进行在写入板100(导电层)上的特定区域形成碳素物质30、擦除形成的物质和然后再在同一位置上形成碳素物质的过程。
图3是用AFM读出的在变换着施加不同大小加在基片和尖电极头之间间隙两端上的偏置电压时形成的碳素物质点的图像。关于这一点，证明根据所施加的偏置电压的大小或施加的持续时间能够形成各种不同尺寸的碳素物质组成的点。
所以，在图2A一直到2D中，如图3所说明的那样，通过变换偏置电压值能够控制形成的或消除的碳素物质点的尺寸。特别是，能够使点的尺寸控制在数十纳米数量级，因此能够容易应用于制造几百或更多一些Gb(千兆比特)级可重写数据存储器。
参阅图4A和4B，为了弄清所写入信息的物质组分将描述俄歇电子能谱(AES)分析的结果。图4A是用AFM读出用于AES分析的试样的图像，其中3微米×4微米(P3、P4)尺寸的白色部分是用以前描述的方法形成碳素物质的(存储信息的)地区，并且把不形成碳素物质的导电层区域表示为P1、P2。表示为图4B中的P3和P4的AES能谱是存储信息的地区的AES分析结果。表示为图4B中的P1和P2的AES能谱是没有存储信息的原有Au薄层的AES分析结果。
在存储信息的P3、P4中，检测出几乎没有Au而仅检测出大量碳组分，然而在没有存储信息的P1、P2中，检测出大量Au和碳组分。所以，能够推断出根据本发明的可重写数据存储器机理就是用引起如上所述的电化学反应的电流就地沉积/去除在Au薄层上的碳素物质。
参阅图5A一直到5C，将描述把写/读方法的原理应用于宽可重写数据存储器的例子。如图5A所说明的那样，在基片200上形成有条状的导电层图形210，为了形成电流把悬臂尖电极头220形成呈阵列的悬臂225安装在导电层图形之上，然后，能够在所希望的地区形成碳素物质。此外，通过选定悬臂的开关211和位置并且施加电压能够读出所希望地区的信息。就是说，如图5B所说明的那样，如果在悬臂尖电极头220和导电层图形210之间间隙两端上不施加电压，则不形成碳素物质。然而，如图5C所说明的那样，如果选定像AFM电极头之类的悬臂尖电极头220和第三导电层图形210并且施加偏置电压(-6V)，则在所选择的第三导电层图形210中的所选定的区域上形成碳素物质230。因此，即使存储器具有宽大的面积，通过访问所希望的区域也能够写/读信息。
此外，可以形成在每条悬臂上一些尖电极头形成阵列的许多悬臂，因此能够制造只要悬臂仅移动一个短距离就能存取的数据存储器。
如以上所述，根据本发明的采用碳素物质的可重写数据存储器通过控制施加在悬臂尖电极头和导电层之间间隙两端上的电压用在导电层上引起电化学反应的电流写入或擦除成为碳素物质的信息。此外，在这里，用施加的电压的大小或施加持续时间控制代表信息的碳素物质尺寸。
因此，因为数据存储器是可重写的但是不应用相变，所以增强写/读的耐久性，并且就连续的写入/擦除周期而论，解决了在先技术中的材料性能损坏，以致能够半永久性地使用数据存储器。加之，通过形成或消除尺寸在几十纳米数量级的结构能够存储或消除信息，所以能够实施能存储和写入大于几百吉比特的信息Gb的可重写数据存储器。
权利要求
1．一种采用碳素物质的可重写数据存储器，包括由基片和在基片上沉积的导电层构成的写入板；和用于形成或消除以点形式代表记录在导电层上信息的碳素物质的尖电极头。
2．根据权利要求1的采用碳素物质的可重写数据存储器，其中所述基片由SiO2/Si构成。
3．根据权利要求1的采用碳素物质的可重写数据存储器，其中所述导电层通过沉积Au形成。
4．根据权利要求1的采用碳素物质的可重写数据存储器，其中所述尖电极头通过在成尖头形状的Si芯子上镀Ti形成。
5．一种采用碳素物质的可重写数据存储器，包括由在其上形成有条状导电层图案的基片构成的写入板；和沿着横跨条状的导电层图形的悬臂、以阵列形式设置的具有与有条状的导电层图形相对应的有规则的间距以便形成或消除以点形式代表在导电层图形上记录信息的碳素物质的尖电极头。
6．根据权利要求5的采用碳素物质的可重写数据存储器，其中所述基片由SiO2/Si构成。
7．根据权利要求5的采用碳素物质的可重写数据存储器，其中所述导电层由Au构成。
8．根据权利要求5的采用碳素物质的可重写数据存储器，其中所述尖电极头通过在成尖头形状的Si芯子上镀Ti形成。
9．一种采用碳素物质的可重写数据存储器的写/读方法，该可重写数据存储器包括由基片和在基片上的导电层构成的写入板；和用于形成或消除以点形式代表记录在导电层上信息的碳素物质的尖电极头，该写/读方法，包括(a)通过对尖电极头和导电层之间施加预定的偏置电压以及在导电层上形成碳素物质而写入信息；(b)通过对尖电极头和导电层之间施加与在写入步骤中施加的偏置电压相反极性的电压以及消除已经形成的碳素物质而擦除信息；(c)通过识别导电层和碳素物质之间构形而读出信息。
10．根据权利要求9的采用碳素物质的可重写数据存储器的写/读方法，其中，通过控制施加在导电层和尖电极头之间的偏置电压的幅值或者施加偏置电压的持续时间而决定在步骤(a)中形成的碳素物质点的尺寸。
11．根据权利要求9的采用碳素物质的可重写数据存储器的写/读方法，其中，通过控制施加在导电层和尖电极头之间的偏置电压的幅值或者施加偏置电压的持续时间而决定在步骤(b)中消除的碳素物质点的尺寸。
12．根据权利要求9的采用碳素物质的可重写数据存储器的写/读方法，其中，采用在导电层和碳素物质之间的电容差异、电阻差异、摩擦系数差异和高度差异的其中之一进行步骤(c)。
13．采用碳素物质的可重写数据存储器的写/读方法，该可重写数据存储器包括通过在基片上沉积导体形成有条状导电层图案的基片；和在横跨条状的导电层图案的悬臂上以阵列形式设置的、具有与有条状的导电层图形相对应的有规律的间距的、用于形成或消除以点形式代表在导电层上记录的信息的碳素物质的尖电极头，该方法包括(a)通过使悬臂定位、对悬臂尖电极头和所选择的导电层图形之间施加预定的偏置电压以及在所选择的导电层图形中的所选择的区域内形成碳素物质而写入信息；(b)通过使悬臂定位，对悬臂尖电极头和所选择的导电层图形之间施加与在写入步骤中施加的偏置电压相反极性的电极以及消除已经形成的碳素物质而擦除信息；和(c)通过识别在导电层图形和碳素物质之间的构形而读出信息。
14．根据权利要求13的采用碳素物质的可重写数据存储器的写/读方法，其中通过控制施加在导电层图形和悬臂尖电极头之间的偏置电压的幅值或者施加偏置电压的持续时间而决定在步骤(a)中形成的碳素物质点的尺寸。
15．根据权利要求13的采用碳素物质的可重写数据存储器的写/读方法，其中通过控制施加在导电层图形和悬臂尖电极头之间的偏置电压的值或者施加偏置电压的持续时间而决定在步骤(b)中消除的碳素物质点的尺寸。
16．根据权利要求13的采用碳素物质的可重写数据存储器的写/读方法，其中采用在导电层图形和碳素物质之间的电容差异、电阻差异、摩擦系数差异和高度差异的其中之一进行步骤(c)。
全文摘要
采用碳素物质的可重写数据存储器,通过控制施加在悬臂尖电极头和导电层之间的电压,利用在导电层上电化学反应引起的电流写入或擦除由碳素物质代表的信息。此外还由所施加的电压的幅值或者持续施加时间,控制代表信息的碳素物质的尺寸。
文档编号G11B9/14GK1323066SQ0111773
公开日2001年11月21日 申请日期2001年5月10日 优先权日2000年5月10日
发明者金炳晚, 约－塞普闵, 李兆远, 李来成 申请人:三星电子株式会社