Экспоненциальный рост цифровых данных — от потоковых носителей и облачных вычислений до научных исследований и Интернета вещей — поставил беспрецедентные требования к технологиям хранения данных. Традиционные носители хранения, такие как жесткие диски (HDD) и твердотельные накопители (SSD), приближаются к физическим и экономическим пределам. Введите графен: один слой атомов углерода, расположенных в шестиугольной решетке, которая захватила воображение ученых и инженеров материалов. С момента его изоляции в 2004 году графен рекламировался как «чудо-материал» со свойствами, которые могут радикально улучшить все, от батарей до полупроводников. В хранении данных его комбинация атомной тонкости, необычайной электропроводности, механической прочности и тепловой эффективности делает его основным кандидатом на устройства следующего поколения. В этой статье исследуется роль графена в продвижении хранения данных, изучение науки, стоящей за его преимуществами, текущее состояние исследований, проблемы, которые остаются, и преобразующий потенциал, который он имеет для будущего управления цифровой информацией.

Что такое графен?

Графен представляет собой двумерный аллотроп углерода, состоящий из одного слоя атомов, расположенных в повторяющемся шестиугольном рисунке. Впервые он был успешно выделен Андре Геймом и Константином Новоселовым в Манчестерском университете в 2004 году, прорыв, который принёс им Нобелевскую премию по физике в 2010 году. Материал получен из графита, общего вещества, найденного в карандашном свинце, но принципиально отличается по своим свойствам благодаря своей двумерной структуре.

Ключевые характеристики графена включают:

  • Чрезвычайная тонкость: При толщине всего одного атома графен представляет собой по существу двумерный лист с удельной площадью поверхности около 2630 м2/г, предлагающий обширное пространство взаимодействия для электронных процессов.
  • Исключительная электропроводность: Электроны движутся через графен с очень высокой подвижностью — до 200 000 см2/В·с — намного превышающей таковую у кремния или меди. Это связано с уникальной структурой полосы материала, где носители заряда ведут себя как безмассовые фермионы Дирака.
  • Механическая прочность:] Графен примерно в 200 раз прочнее стали, но при этом остаётся гибким и эластичным. Модуль его Янга составляет около 1 ТПа, и его можно растянуть до 20% без разрушения.
  • Теплопроводность:] Он проводит тепло лучше, чем любой известный материал, с теплопроводностью, превышающей 5000 Вт/м·К при комнатной температуре, что имеет решающее значение для управления теплом в плотно упакованных устройствах хранения.
  • Непроницаемость: Графен непроницаем для всех газов и жидкостей, включая гелий, что позволяет ему выступать в качестве идеального защитного барьера против окисления и загрязнения в средах хранения.
  • Оптическая прозрачность: Он поглощает только 2,3% видимого света, что делает его прозрачным, что выгодно для определенных схем оптического хранения и считывания.

Эти свойства в сочетании с относительным изобилием углерода позиционируют графен как центральный материал в разработке электронных устройств следующего поколения, включая передовые решения для хранения данных.

Современный ландшафт хранения данных

Чтобы оценить потенциальное воздействие графена, важно понять ограничения современных технологий хранения. Жесткие диски полагаются на вращающиеся магнитные пластины и головки чтения / записи - механические компоненты, которые накладывают ограничения на скорость, долговечность и миниатюризацию. В то время как плотность ареала (биты на квадратный дюйм) резко возросла за десятилетия, она приближается к фундаментальным сверхпарамагнитным ограничениям, где магнитные домены становятся слишком малыми, чтобы удерживать стабильную намагниченность. SSD, основанные на флэш-памяти NAND, предлагают более быстрое время доступа и большее сопротивление удару, но сталкиваются с проблемами в выносливости записи, удержании данных при высоких температурах (особенно с масштабированием 3D NAND) и частота ошибок бита, поскольку размеры транзисторов уменьшаются ниже однозначных нанометров. Обе технологии потребляют значительную мощность и генерируют тепло, ограничивая производительность в мобильных и дата-центровых средах.

Новые технологии памяти, такие как магнитная RAM с вращательным моментом спин-трансфера (STT-MRAM), память с фазовым изменением (PCM) и резистивная RAM (RRAM), обещают улучшения, но все еще борются с проблемами скорости, энергоэффективности, стоимости или масштабируемости. Графен с его уникальной комбинацией свойств имеет потенциал не только для улучшения существующих форматов хранения, но и для обеспечения совершенно новых архитектур устройств, которые преодолевают эти узкие места.

Почему графен для хранения следующего поколения?

Графен учитывает несколько основных ограничений традиционных и новых носителей информации. Ниже приведены ключевые преимущества, которые делают его привлекательным материалом для устройств хранения данных.

Высокая плотность данных

Поскольку графен имеет толщину всего в один атом, его можно использовать для создания ультратонких слоев в ячейках памяти, что позволяет значительно более компактно хранить. В жестких дисках один атомный слой графена может служить ультратонким защитным покрытием, которое позволяет головке чтения / записи летать ближе к пластине, тем самым увеличивая плотность ареала. В твердотельной памяти графеновые электроды могут быть уложены с минимальным межслойным интервалом для увеличения емкости хранилища на единицу объема. Предварительные исследования показывают, что хранение на основе графена может достигать плотности порядка десятков терабитов на квадратный дюйм - потенциально на порядок выше, чем современные технологии HDD.

Быстрая передача данных

Чрезвычайно высокая мобильность несущей графена означает, что электронные сигналы могут распространяться через него с минимальной задержкой. В устройствах памяти это приводит к более быстрому времени переключения и более высоким скоростям передачи данных. Например, транзисторы на основе графена могут работать на терагерцовых частотах, намного превосходящих возможности кремния. В флэш-памяти графеновый проводящий канал может уменьшать задержку чтения/записи на порядки величины. Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли продемонстрировали устройство на основе графена, которое достигло скорости переключения менее 5 наносекунд по сравнению с примерно 10-100 микросекунд для обычной вспышки NAND.

Долговечность и надежность

Механическая прочность и непроницаемость графена обеспечивают исключительную защиту чувствительных слоев хранения. В магнитных жестких дисках головка чтения/записи летит на нанометры над пластиной; одно столкновение может вызвать сбой. Графеновые покрытия, толщиной всего в несколько атомов, могут защитить пластины от физического износа и химической коррозии без добавления значительного веса или расстояния. Кроме того, непроницаемость графена предотвращает разрушение магнитных или электронных компонентов, продлевая срок службы устройства. Во флэш-памяти графен может выступать в качестве прочного электродного материала, который выдерживает повторный цикл операций записи/эразы, уменьшая битовое выцветание и улучшая выносливость.

Энергоэффективность

Существенные резистивные потери генерируют современные накопители, особенно по мере увеличения скорости передачи данных. Высокая электропроводность графена снижает сопротивление и связанное с этим рассеивание мощности. Кроме того, низкое переключающее напряжение, необходимое в графеновых транзисторах и ячейках памяти (из-за его высокой плотности несущей и настраиваемой рабочей функции), еще больше сокращает потребление энергии. В центрах обработки данных, где массивы хранения могут составлять большую долю от общего потребления энергии, даже умеренное повышение эффективности приводит к существенному снижению эксплуатационных расходов и экологических выгод.

Термический менеджмент

Хранилище высокой плотности генерирует тепло, которое может ухудшить производительность и надежность. Отличная теплопроводность графена позволяет ему распространять тепло от горячих точек, таких как область головки чтения / записи на HDD или активный транзисторный канал в SSD. Благодаря интеграции графеновых теплоотводов или промежуточных слоев устройства хранения могут поддерживать более низкие рабочие температуры, обеспечивая устойчивую высокую производительность без дросселирования.

Гибкость и фактор формы

Поскольку графен является одновременно прочным и гибким, он открывает двери для сгибаемых, подвижных и носимых устройств хранения. Традиционные компоненты хранения являются жесткими и хрупкими; память на основе графена может быть встроена в одежду, умные часы или медицинские пластыри, соответствующие изогнутым поверхностям, сохраняя при этом производительность. Эта гибкость является решающим фактором для растущей экосистемы Интернета вещей (IoT), которая требует хранения, которое может быть интегрировано в различные форм-факторы.

Текущие исследования и разработки

Исследователи во всем мире активно изучают, как использовать графен в практических продуктах хранения данных. Работа охватывает несколько парадигм хранения — магнитную, флеш-, резистивную и за ее пределами.

Графен в жестких дисках

Одно из наиболее перспективных применений — использование графена в качестве сверхтонкого пальто для магнитных пластин в HDD. Обычные HDD используют углеродные пальто (например, алмазоподобный углерод), толщиной в несколько нанометров. Графен, будучи атомарно тонким и непроницаемым, мог бы заменить эти покрытия, позволяя головке чтения/записи работать на чрезвычайно низкой высоте мухи. Это уменьшает магнитное расстояние и увеличивает плотность залегания. В 2021 году команда исследователей из Китайской академии наук и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе продемонстрировала графеновое пальто, которое уменьшало расстояние между головкой и диском на несколько нанометров, обеспечивая превосходную защиту от коррозии и износа. Подход был проверен с использованием коммерческих компонентов HDD и показал потенциал для достижения плотности залегания за 10 Тб/ин2.

В другой разработке графен исследуется для использования в магнитной записи с тепловым усилителем (HAMR). HAMR использует лазер для нагрева крошечного пятна на диске, чтобы уменьшить магнитную тягу, позволяя записывать данные с меньшими зернами. Однако тепло может ухудшать слои смазки и покрытия. Высокая теплопроводность и стабильность графена могут служить в качестве теплораспределителя и защитного барьера, позволяя более эффективно записывать HAMR без повреждения диска.

Графен в твердотельных приводах

Графен также исследуется как компонент флэш-памяти NAND и альтернативных энергонезависимых технологий памяти. Исследователи разработали затворные электроды на основе графена и проводящие каналы в ячейках флэш-памяти. Например, в исследовании, опубликованном в Nature Communications, описана флэш-память на основе графена, которая показала сверхнизкую мощность и высокую выносливость. Графеновый канал позволил создать большее окно памяти и более быстрые циклы программы/эразы по сравнению с обычными поликристаллическими кремниевыми каналами.

Кроме того, графен использовался в качестве прозрачного проводящего электрода в резистивных устройствах ОЗУ (RRAM), где переключение происходит через образование и разрыв проводящих нитей. Гибкость графена и химическая инертность повышают стабильность цикла. Команда из Национального университета Сингапура достигла более 10 миллионов циклов в устройстве RRAM с графеном-электродом, что намного превышает типичную выносливость RRAM на основе оксида.

Гибкие и носимые устройства хранения

Несколько исследовательских групп продемонстрировали прототипы гибких массивов памяти с использованием графена в качестве активного слоя или в качестве межсоединений. Например, ученые из Университета Эксетера изготовили полностью гибкое запоминающее устройство на полимерной подложке с использованием оксида графена в качестве резистивного переключающего слоя. Устройство может быть согнуто тысячи раз без измеримой деградации. Другие усилия включают интеграцию графена с органической электроникой для создания маломощных, изгибаемых чипов памяти, которые могут быть сшиты в ткани или ламинированы на участки кожи. Пока они экспериментальны, эти прототипы указывают на будущее, где хранение легко интегрируется в повседневные объекты.

Графен в спинтронных и других возникающих воспоминаниях

Длина спиновой диффузии графена (до нескольких микрометров при комнатной температуре) делает его привлекательным для спинтронных устройств, которые хранят данные в спиновом состоянии электронов, а не заряда. Были продемонстрированы спиновые клапаны и магнитные туннельные соединения с использованием графена в качестве канала спин-транспорта, предлагая как быструю работу, так и низкое рассеивание энергии. Эти устройства, если масштабировать, могут сочетать скорость SRAM с неволатильностью вспышки. Кроме того, были предложены воспоминания о фазовом изменении на основе графена, где тонкий слой графена, зажатый между материалом фазового изменения (например, GST), действует как теплоочиститель и нагреватель, снижая энергию переключения, необходимую для фазовых переходов.

Широта исследований показывает, что графен не привязан к одному подходу к хранению; он может служить в качестве материала для всего спектра технологий хранения данных, повышая производительность, плотность и надежность.

Вызовы и трудности

Несмотря на обещание, интеграция графена в коммерческие устройства хранения данных пока не является простой. Перед тем, как графеновое хранилище станет основным, необходимо решить несколько существенных проблем.

Масштабируемое производство

Наиболее качественный графен получают методом механического отшелушивания (метод «скотчной ленты»), который дает небольшие хлопья и не масштабируется. Для промышленного применения наиболее распространенным методом является химическое осаждение паров (CVD) на медной фольге, производящей графеновые пленки большой площади. Однако графен CVD часто содержит границы зерна, морщины и дефекты, которые ставят под угрозу его электрические и механические свойства. Перенос графена из подложки роста в подложку устройства (например, кремниевые пластины или магнитные пластины) без разрыва или загрязнения также проблематичен. Исследователи проводят обработку рулона и ультрачистые методы переноса, но выход и воспроизводимость остаются ниже того, что требует индустрия хранения для производства большого объема.

Эффективность затрат

Производство графена в настоящее время стоит дороже на единицу площади, чем существующие материалы, такие как алмазоподобный углерод (DLC) или полисиликон. Хотя цена графена CVD значительно снизилась за последнее десятилетие, она по-прежнему на порядок выше, чем у обычных тонкопленочных материалов при рассмотрении необходимого качества и контроля дефектов. Для графена, чтобы заменить DLC в HDD или электродных материалах в SSD, стоимость должна быть конкурентоспособной. Экономия масштаба поможет, но рынок хранения очень чувствителен к цене, и даже небольшая премия может быть барьером.

Совместимость с существующими производственными процессами

Производство устройств хранения зависит от хорошо отлаженных процессов - литографии, травления, осаждения и отжига - оптимизированных для кремниевых и металлических пленок. Графен чувствителен ко многим из этих шагов: он может быть поврежден кислородной плазмой, травлен кислотами и физически морщинистым во время теплового цикла. Интеграция графена без нарушения существующих технологических потоков требует новых протоколов обработки и, возможно, специализированных камер осаждения. Складская промышленность консервативна в отношении изменения производственных линий из-за огромных капитальных инвестиций, поэтому любой новый материал должен обеспечить убедительный прирост производительности, чтобы оправдать переоборудование.

Стабильность и надежность в течение длительного времени

Хотя графен теоретически стабилен, реальные устройства подвергают его электрическому напряжению, тепловому циклу и механической вибрации. Такие проблемы, как взаимодействие графена с субстратом (например, улавливание заряда на интерфейсе), электромиграция при высокой плотности тока и окисление на участках дефектов, могут ухудшать производительность с течением времени. Для хранения данных устройства должны сохранять данные в течение многих лет (часто 5-10 лет или более для архивного использования) и выдерживать от тысяч до миллионов циклов записи. Долгосрочные данные надежности для устройств хранения на основе графена все еще ограничены, и для подтверждения их коммерческой жизнеспособности необходимы ускоренные тесты на старение.

Стандартизация и контроль качества

В отличие от кремния или меди, графен не является единичным материалом, а представляет собой семейство с вариациями в количестве слоев, размере домена, уровне допинга и плотности дефектов. Промышленность хранения требует согласованных свойств материала для обеспечения однородности устройства к устройству. Разработка стандартов качества и характеристики графена (например, метрики спектроскопии Рамана для плотности дефектов, однородности листового сопротивления или мобильности носителей) является постоянным усилием, возглавляемым такими организациями, как Международный институт графена и органы стандартов.

Быстрые темпы исследований в сочетании с увеличением промышленных инвестиций позволяют предположить, что многие из этих препятствий будут постепенно преодолены в течение следующих пяти-десяти лет.

Будущее графена в хранении данных

В перспективе графен, вероятно, впервые появится в специализированных или премиальных продуктах хранения, где его преимущества оправдывают дополнительную стоимость и сложность. Например, твердотельные накопители класса дата-центра, которые требуют максимальной выносливости и тепловых характеристик, могут включать графеновые электроды или теплоотводы перед потребительскими устройствами. В HDD графеновые покрытия могут дебютировать в корпоративных дисках, ориентированных на сверхвысокую плотность, возможно, для холодного хранения или облачных архивов. Гибкие и носимые устройства памяти на основе графена все еще находятся на стадии исследований, но могут появиться в нишевых приложениях IoT в течение нескольких лет по мере созревания методов производства.

Помимо постепенных улучшений, графен может обеспечить совершенно новые парадигмы хранения. Концепция «универсальной памяти» — единая технология, которая сочетает в себе скорость DRAM, неволатильность вспышки и низкую стоимость HDD — уже давно является святым Граалем. Роль графена в спинтронной памяти или в двумерных гетероструктурах материала (например, стеках нитрида графен-борона) может приблизить это видение. Исследователи уже продемонстрировали мемристоры на основе графена, которые являются быстрыми, маломощными и высоко масштабируемыми, хотя поле все еще зарождается.

Еще одна интригующая возможность заключается в использовании графена для хранения на молекулярном или квантовом уровне. Например, поверхность графена может быть функционализирована молекулярными видами, которые имеют различные электронные состояния, представляющие биты. Или квантовые состояния эффекта Холла материала могут быть использованы для топологических кубитов в квантовой памяти. Хотя эти идеи очень экспериментальны, они подчеркивают универсальность графена как платформы.

Сроки широкого коммерческого внедрения графена в хранение оцениваются в 5-15 лет, в зависимости от конкретного применения.По мере совершенствования технологий производства и снижения затрат ожидается переход графена от лабораторного любопытства к основному инженерному материалу, как это было с кремнием десятилетия назад.

Заключение

Необыкновенные свойства графена - атомная тонкость, непревзойденная электрическая и теплопроводность, механическая прочность и непроницаемость - делают его уникальным для решения ограничений современных технологий хранения данных. Он может повысить плотность ареала в HDD, ускорить скорость чтения / записи в SSD, обеспечить гибкие форм-факторы и снизить потребление энергии по всем направлениям. Текущие исследования в области магнитной записи, флэш-памяти, резистивной ОЗУ, спинтроники и гибкой электроники показывают яркую область со многими многообещающими результатами. Тем не менее, значительные проблемы остаются в масштабируемом производстве, стоимости, интеграции процессов и долгосрочной надежности. Преодоление этих проблем требует постоянного междисциплинарного сотрудничества между учеными-материалистами, инженерами устройств и отраслевыми партнерами.

Поскольку мир генерирует все большие объемы данных, потребность в эффективном, высокоплотном и долговечном хранении становится критической. Графен предлагает ощутимый путь к удовлетворению этой потребности. Хотя он может не полностью заменить все традиционные материалы хранения в одночасье, он готов стать неотъемлемым компонентом в устройствах хранения данных следующего поколения, обеспечивая более быстрое, компактное и надежное хранение, которое может идти в ногу с цифровой эпохой.

Для дальнейшего чтения об основах графена и его применения в электронике см. основополагающую статью Гейма и Новоселова в Nature Materials «Рост графена». Для обзора исследований памяти на основе графена, обратитесь к обзору в Nature Reviews Materials. Международный институт графена также предоставляет современные ресурсы по производству графена и усилиям по стандартизации.