碳納米管可以看做是石墨烯片層卷曲而成，因此按照石墨烯片的層數(shù)可分為：?jiǎn)伪谔技{米管（或稱單層碳納米管）和多壁碳納米管（或多層碳納米管）。與多壁管相比，單壁管直徑大小的分布范圍小，缺陷少，具有更高的均勻一致性。自碳納米管材料被發(fā)現(xiàn)開始，就展現(xiàn)出多種優(yōu)異性能，可應(yīng)用于許多高端領(lǐng)域。

1、由于碳納米管具有優(yōu)良的電學(xué)和力學(xué)性能，被認(rèn)為是在納米復(fù)合材料領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。

2、碳納米管具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能和良好的機(jī)械性能，碳納米管是電子元器件領(lǐng)域所需的理想材料。

3、碳納米管儲(chǔ)氫是具有很大發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用領(lǐng)域之一。室溫常壓，下約三分之二的氫能從碳納米管釋放出來，而且可被反復(fù)使用。碳納米管儲(chǔ)氫材料在燃料電池系統(tǒng)中用于儲(chǔ)氫氣存儲(chǔ)，對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展具有非常重要的意義。

本文將主要介紹碳納米管在電子存儲(chǔ)器領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用情況。

碳納米管原子結(jié)構(gòu)示意圖

目前，存儲(chǔ)器技術(shù)主要分為以下三個(gè)種類：1、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器DRam（價(jià)格低廉速度稍慢）2、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRam（高速存儲(chǔ)器）3、閃存。DRam和SRam都需要外部供電來保存數(shù)據(jù)。而閃存不需要供電即可保存數(shù)據(jù)，且不易丟失，但是讀寫速度要比DRam低。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，人類生活越來越離不開各類多媒體電子產(chǎn)品。手機(jī)、電腦存儲(chǔ)了高清的圖片、視頻等電子文檔。面對(duì)動(dòng)輒幾個(gè)甚至十幾個(gè)GB大小的文件，當(dāng)前通用的存儲(chǔ)器件已經(jīng)顯現(xiàn)疲態(tài)。開發(fā)能夠滿足不斷增加的在微小空間存儲(chǔ)信息需求的存儲(chǔ)器格式變得尤為迫切。

一、用碳納米管制造存儲(chǔ)器的機(jī)理

英國(guó)諾丁漢大學(xué)化學(xué)學(xué)院進(jìn)行了“納米數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備”項(xiàng)目的研究。研究人員發(fā)現(xiàn)了可以使用性能獨(dú)特的碳納米管來制造低成本、體積小的存儲(chǔ)器元件。這些原件耗電量極低，但能以高速記錄信息。研究人員發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，如果一根碳納米管位于另一根稍微大一點(diǎn)的碳納米管之中，那么由于靜電、范德華力和毛細(xì)力的作用，內(nèi)部管就會(huì)隨著外部管“流動(dòng)”。當(dāng)電流通過碳納米管的時(shí)候就會(huì)使內(nèi)部管被推著在外部管中進(jìn)出。這種壓縮動(dòng)作可以使內(nèi)部管與電極連接或斷開，從而最終產(chǎn)生使用二進(jìn)制編碼保存信息所需的“1”或“0”狀態(tài)。研究人員指出，當(dāng)電源被切斷時(shí)，控制著分子間吸引力的范德華力會(huì)使內(nèi)部管與電極相接，這樣存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的信息不會(huì)丟失，這一點(diǎn)與閃存相似。

電子產(chǎn)業(yè)一直在尋找替代以硅材料為基礎(chǔ)的、用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和制造計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的技術(shù)。現(xiàn)有的技術(shù)，如磁性硬盤，在亞微米尺度范圍內(nèi)使用時(shí)是不可靠的，而且很快就會(huì)達(dá)到它們的基礎(chǔ)物理限制。碳納米管研究項(xiàng)目將開發(fā)存儲(chǔ)信息的新設(shè)備，這些設(shè)備完全以碳納米管制成，不但具有動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的速度和低廉價(jià)格，而且具有閃存的不易丟失性。

二、碳納米管存儲(chǔ)器性能優(yōu)勢(shì)及開發(fā)進(jìn)展

當(dāng)前，碳納米管存儲(chǔ)器的研究已經(jīng)取得突破性進(jìn)展。2015年美國(guó)馬薩諸塞州Nantero公司新研制出一種可以用100多億個(gè)碳納米管進(jìn)行信息存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器，理論上它可以進(jìn)行10GB數(shù)據(jù)的處理。Nantero將下一代基于碳納米管的儲(chǔ)存器命名為非易失性隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（NRAM）。Nantero公司的執(zhí)行總裁GregSchmergel稱，碳納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(NRAM)能更好地控制數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)運(yùn)算變得安全穩(wěn)定。即使計(jì)算機(jī)電源被切斷，NRAM存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。同時(shí)，該存儲(chǔ)器可以很快地導(dǎo)入數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算。從納米管技術(shù)目前的開發(fā)和應(yīng)用可以看出，NRAM存儲(chǔ)器要比當(dāng)前靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRam要快。有關(guān)分析家預(yù)測(cè)，Nantero公司開始使用納米管生產(chǎn)集成芯片，只是碳電子技術(shù)應(yīng)用的開端。納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(NRAM)的記憶存儲(chǔ)能力在18個(gè)月內(nèi)會(huì)以0.4GB的速度發(fā)展。

根據(jù)公布的數(shù)據(jù)新型碳納米管存儲(chǔ)器具有如下幾點(diǎn)性能優(yōu)勢(shì)：

1. 讀取速度和DRAM一樣快，比閃存快了近100倍，但是功耗很低。　　

2. 耐用性強(qiáng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠性強(qiáng)。　

3. 切換時(shí)間快，媲美任何DRAM。　

4. 尺寸比閃存小，單個(gè)存儲(chǔ)單元可低至5nm。

將這些性能組合在一起，證明NRAM完全能夠替代目前通用的幾種存儲(chǔ)器。同時(shí)對(duì)比于傳統(tǒng)存儲(chǔ)器，NRAM也沒有其他成本的增加。制造傳統(tǒng)存儲(chǔ)器，需要很多的掩膜和復(fù)雜的步驟。而在做NRAM的時(shí)候，只需要一層碳納米管來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用一個(gè)低成本的原料替代高價(jià)貨。到目前為止，Nantero已產(chǎn)出成千上萬個(gè)芯片，NRAM芯片的生產(chǎn)線已經(jīng)布設(shè)在7個(gè)工廠中。

這場(chǎng)關(guān)于存儲(chǔ)的競(jìng)賽已處于最后階段。惠普的憶阻器，Crossbar的RRAM，Nantero公司的NRAM，都是技術(shù)上的領(lǐng)先者。不管最終結(jié)局如何，碳納米管的各項(xiàng)優(yōu)異性能決定了它在未來新材料領(lǐng)域必將占據(jù)一席之地。

(粉體圈 作者：梧桐)