Neue Werkstoffe: Künstliche Intelligenz
Immer kleinere, leichtere, kompaktere Geräte, die immer schneller mit immer mehr Daten jonglieren - die konventionelle Halbleiterelektronik stößt angesichts solcher Forderungen inzwischen an ihre Grenzen. Kunststoffe müssen in Zukunft einspringen.
Wer noch ein Notebook aus den Gründertagen des Computer-für-unterwegs-Zeitalters besitzt oder sich zumnindest daran erinnert, wird wohl noch eher den Ausdruck "Schlepptop" im Kopf haben – so schwer waren die ersten Baureihen. Mittlerweile werden die Geräte allerdings immer leichter, doch irgendwann ist mit Silizium-Bauteilen eine Grenze erreicht: Kunststoffe müssen auch im Chipbereich ran.
Eine ganze Reihe entsprechender polymerelektronischer Bauteile konnte bereits realisiert werden: So gibt es schon erste wiederbeschreibbare Speicher (Flash Memory) und Write-once Read-many-times Memory (WORM) aus polymeren Kunststoffen. Und nun ist es Forschern um En-Tang Kang von der Nationaluniversität von Singapur und dem ebenfalls dort beheimateten Institute of Microelectronics sogar gelungen, einen DRAM-Speicher (Dynamic Random Access Memory) auf Kunststoff-Basis herzustellen. In einem solchen "Kurzzeitgedächtnis" elektronischer Geräte, einem "dynamischen" Typ von Arbeitsspeicher, werden alle Abläufe und Vorgänge temporär abgelegt. Sein Speicherinhalt wird durch auffrischende Spannungspulse ständig aktualisiert.
Anders als bei einer Halbleiterzelle, die sich Daten in Form von elektrischer Ladung "merkt", werden die Signale 0 und 1 bei einem polymerbasierten Speicher als niedrige beziehungsweise hohe Leitfähigkeit gespeichert. Die Forscher stellten dazu ein spezielles Co-Polymer her – einen Kunststoff, dessen lange Molekülketten aus verschiedenen, fein auf einander abgestimmten Bausteinen bestehen. Als dünner Film wird es zwischen zwei Elektroden eingebettet. Zunächst ist das Polymer im AUS-Zustand, der durch eine niedrige Leitfähigkeit charakterisiert ist. Eine Barriere verhindert den Elektronenfluss durch den Film. Zum Beschreiben des Speichers reicht dann eine niedrige Spannung oberhalb einer bestimmten Schwelle (minus 2,8 Volt), und das Co-Polymer geht in einen Zustand hoher Leitfähigkeit über, den AN-Zustand.
Das Ablesen des Speichers erfolgt über Spannungspulse unterhalb der Schwelle. Erfolgsgeheimnis ist die Kombination aus der Barriere und einer Art "Fallgruben" für Ladungsträger. Ist die Barriere erst einmal durch einen Spannungspuls oberhalb der Schwelle überwunden, werden die Gruben mit Ladungsträgern aufgefüllt. Durch das nun veränderte elektrische Feld verliert die Barriere ihre Wirkung. Jetzt kann der Strom ungehindert durch den Film fließen. Die Gruben sind relativ flach, sodass die Ladungsträger auch leicht wieder heraus können: Liegt über zwei Minuten keine Spannung an, "klettern" die Ladungsträger von selbst wieder aus den Gruben, der Speicher vergisst seine Programmierung und kehrt in den AUS-Zustand zurück – und das soll er als dynamischer Arbeitsspeicher ja auch.
Das Löschen an sich erfolgt durch einen entgegengerichteten Spannungspuls oberhalb von 3,5 Volt. Dadurch wird der ursprüngliche AUS-Zustand mit leeren Fallgruben sogleich wieder erreicht. Durch erneutes Anlegen von mehr als minus 2,8 Volt ist der Speicher immer wieder beschreibbar. Der Traum vom nahezu gewichtslosen Arbeitsgerät für überall rückt also näher.
Eine ganze Reihe entsprechender polymerelektronischer Bauteile konnte bereits realisiert werden: So gibt es schon erste wiederbeschreibbare Speicher (Flash Memory) und Write-once Read-many-times Memory (WORM) aus polymeren Kunststoffen. Und nun ist es Forschern um En-Tang Kang von der Nationaluniversität von Singapur und dem ebenfalls dort beheimateten Institute of Microelectronics sogar gelungen, einen DRAM-Speicher (Dynamic Random Access Memory) auf Kunststoff-Basis herzustellen. In einem solchen "Kurzzeitgedächtnis" elektronischer Geräte, einem "dynamischen" Typ von Arbeitsspeicher, werden alle Abläufe und Vorgänge temporär abgelegt. Sein Speicherinhalt wird durch auffrischende Spannungspulse ständig aktualisiert.
Anders als bei einer Halbleiterzelle, die sich Daten in Form von elektrischer Ladung "merkt", werden die Signale 0 und 1 bei einem polymerbasierten Speicher als niedrige beziehungsweise hohe Leitfähigkeit gespeichert. Die Forscher stellten dazu ein spezielles Co-Polymer her – einen Kunststoff, dessen lange Molekülketten aus verschiedenen, fein auf einander abgestimmten Bausteinen bestehen. Als dünner Film wird es zwischen zwei Elektroden eingebettet. Zunächst ist das Polymer im AUS-Zustand, der durch eine niedrige Leitfähigkeit charakterisiert ist. Eine Barriere verhindert den Elektronenfluss durch den Film. Zum Beschreiben des Speichers reicht dann eine niedrige Spannung oberhalb einer bestimmten Schwelle (minus 2,8 Volt), und das Co-Polymer geht in einen Zustand hoher Leitfähigkeit über, den AN-Zustand.
Das Ablesen des Speichers erfolgt über Spannungspulse unterhalb der Schwelle. Erfolgsgeheimnis ist die Kombination aus der Barriere und einer Art "Fallgruben" für Ladungsträger. Ist die Barriere erst einmal durch einen Spannungspuls oberhalb der Schwelle überwunden, werden die Gruben mit Ladungsträgern aufgefüllt. Durch das nun veränderte elektrische Feld verliert die Barriere ihre Wirkung. Jetzt kann der Strom ungehindert durch den Film fließen. Die Gruben sind relativ flach, sodass die Ladungsträger auch leicht wieder heraus können: Liegt über zwei Minuten keine Spannung an, "klettern" die Ladungsträger von selbst wieder aus den Gruben, der Speicher vergisst seine Programmierung und kehrt in den AUS-Zustand zurück – und das soll er als dynamischer Arbeitsspeicher ja auch.
Das Löschen an sich erfolgt durch einen entgegengerichteten Spannungspuls oberhalb von 3,5 Volt. Dadurch wird der ursprüngliche AUS-Zustand mit leeren Fallgruben sogleich wieder erreicht. Durch erneutes Anlegen von mehr als minus 2,8 Volt ist der Speicher immer wieder beschreibbar. Der Traum vom nahezu gewichtslosen Arbeitsgerät für überall rückt also näher.
© Angewandte Chemie
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