Thiết bị bộ nhớ in trên giấy

Mô hình chế tạo thiết bị bộ nhớ RRAM in trên giấy.

Có vẻ như công nghệ bộ nhớ máy tính đã bước vào giai đoạn phát triển đầy đủ. Những người đi tiên phong vào đầu thế kỷ 19, như Charles Babbage, lần đầu tiên đã đưa ra đề xuất về việc sử dụng bộ nhớ giấy (không phải là điện tử), với mỗi bit (đơn vị thông tin) được lưu trữ dưới dạng đục một lỗ trên thẻ giấy. Giờ đây, nghiên cứu tiên tiến lại một lần nữa đưa ra ý tưởng sử dụng giấy như một thiết bị bộ nhớ. Lần này, mặc dù chất liệu giấy có thể giống nhau, nhưng các bit không còn là những lỗ đục thô sơ nữa mà là những kiến trúc thiết bị chế tạo nano.

Theo truyền thống, các thiết bị điện tử được chế tạo chủ yếu bằng kỹ thuật in ảnh litô, lắng chân không, và mạ không dùng điện. Trái ngược với những phương pháp nhiều công đoạn, tốn kém, và lãng phí đó, công nghệ in phun cung cấp một cách nhanh và rẻ để in các mạch điện bằng các máy in phun thông dụng và với các vật liệu có sẵn.

Mặc dù lớp nền plastic trong suốt được áp dụng rộng rãi cho các thiết bị điện tử mềm dẻo, nhưng chúng có vấn đề nội tại: hầu hết đều là những vật liệu không ổn định nhiệt; không có nguồn gốc xanh, tức là không có khả năng tái tạo và phân hủy sinh học; và không dễ in như giấy.

Gần đây, các nhà nghiên cứu đã khám phá ra một loại giấy với mục tiêu thay thế cho chất nền plastic, sử dụng như một vật liệu nền nhẹ trong chế tạo các thiết bị điện tử in chi phí thấp, đa năng, và có thể cuộn được. Họ đã trình diễn các loại thiết bị in trên giấy khác nhau như các loại pin giấy, pin năng lượng mặt trời (pin năng lượng mặt trời polyme/fullerene), thẻ RFID, và thậm chí cả các tranzito.

Trong công trình nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Quốc gia Đài Loan đã công bố về một thiết bị bộ nhớ bất khả biến được in trên giấy. Như được mô tả trong công trình nghiên cứu đăng trên Tạp chí ACS Nano, nhóm nghiên cứu sử dụng một sự kết hợp giữa in phun và in màn hình để chế tạo các tế bào nhớ có điện trở reRAM (resistive RAM memory cells) trên giấy in thương mại.

In điện tử trên giấy có giá thành rẻ, linh hoạt, và có thể tái chế, có thể dẫn đến các ứng dụng như nhãn hàng thông minh trên các loại thực phẩm và dược phẩm hoặc các cảm biến y tế đeo trên người.

Bộ nhớ bất khả biến (không bay hơi) này lần đầu tiên được chế tạo trên giấy, tuy nhiên bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên có điện trở (RRAM), không phải là một khái niệm mới. Sự kết hợp RRAM với giấy là lý tưởng bởi cấu trúc của RRAM đơn giản, đối với mỗi bit chỉ cần có một chất cách điện và hai điện cực là đủ. Hoạt động cũng đơn giản; loại bộ nhớ này được vận hành bằng cách thay đổi điện trở của vật liệu cách điện, các trạng thái điện trở 0 và 1 thay đổi rõ rệt khi áp dụng các điện áp khác nhau. Ngoài ra, RRAM không bay hơi, do đó nguồn năng lượng cài đặt là không cần thiết.

"Một thách thức của việc sử dụng giấy xellulose thông thường làm nền cho bộ nhớ điện tử đó là, do có cấu tạo từ sợi, giấy rất thô và xốp ở cấp độ vi mô, điều này gây khó khăn cho việc xếp các lớp vật liệu mỏng, đồng nhất, một thao tác  cần thiết trong các công nghệ nhớ đặc trưng”, theo Jr-Hau He, Phó giáo sư Viện nghiên cứu quang tử và quang điện tử, Đại học Đài Loan, người lãnh đạo công trình nghiên cứu cho biết. Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu của ông đã quyết định chế tạo RRAM, một loại bộ nhớ tương đối mới với cấu trúc đơn giản, đủ để đáp ứng với các biến đổi bề mặt đó.

Trong bộ nhớ RRAM, một chất cách điện có thể đạt các mức điện trở khác nhau bằng cách áp dụng một điện áp; một mức điện trở tương ứng với số 1 trong logic số,một mức khác tương ứng với số 0. Vì vậy, mỗi bit trong RRAM bao gồm một chất cách điện kẹp giữa hai điện cực.

Thiết bị được chế tạo bằng kỹ thuật in, gồm in phun và in màn hình, vì vậy bộ nhớ này có thể được chế tạo bằng một máy in thương mại hoặc bằng kỹ thuật in lô. Trong bước chế tạo đầu tiên, giấy in thương mại được phủ nhiều lần cho đến khi độ nhám bề mặt của tờ giấy trở nên phẳng, một lớp dán cacbon được sử dụng làm điện cực dưới. Sau công đoạn đóng rắn, các hạt nano oxit titan được in phun lên giấy và sấy khô. Cuối cùng, các hạt mực nano bạc được in phun lên mặt trên chứa TiO2 để tạo thành điện cực trên.

Theo các nhà nghiên cứu cho biết, nếu kết hợp với các thiết bị in khác nhau, người tiêu dùng cũng có thể thiết kế một vi mạch chức năng trên máy tính của mình, hoặc tải xuống từ Internet, và trực tiếp chế tạo ngay tại nhà thay cho phòng thí nghiệm hoặc phân xưởng.

Có nhiều ứng dụng có thể được tạo ra từ kỹ thuật mới này, ví dụ như tích hợp với RFIDs, một thiết bị RRAM in có thể được sử dụng cho việc bán vé; các mảng điểm (dot arrays) sử dụng như mã QR và cho phép bảo mật tốt hơn, hoặc nó cũng có thể được cài đặt trong các cuốn sách, cốc giấy, hay bất kỳ vật thể in nào khác.

Trong tương lai, một trong những vấn đề các nhà nghiên cứu sẽ tập trung giải quyết đó là làm tăng mật độ nhớ của RRAM in. Công trình hiện tại sử dụng một máy in phun thông thường và có kích thước điểm ~ 50 µm với độ phân giải 25 µm. Như vậy, một bit sẽ chiếm diện tích khoảng 100 µm mỗi chiều, hay 104 bit chiếm một cm 2. Với mật độ như vậy, một tờ giấy in khổ A4 có thể giữ chứa 6,237 x 106 bit hay gần 780 KB dữ liệu.

Với một máy in có độ phân giải cao hơn có thể đạt được độ phân giải điểm 1 µm và khoảng cách điểm tương tự. Điều đó có nghĩa là có thể tăng mật độ lên 2500 lần, và có thể chứa được 1,56 x 1010 bit hay gần 2 GB trên một tờ giấy khổ A4.

Nhóm nghiên cứu hiện đang nghiên cứu RRAM cấu trúc thanh chéo (crossbar) và cố gắng chế tạo các cấu trúc 1D hoặc 2D-1R. Kiến trúc kiểu thanh chéo có thể xếp chồng lên nhau được do đó có thể đạt được các mảng 3D, và có thể tăng được mật độ. Ngoài ra, họ cũng đang xem xét việc sử dụng các mảng điểm nhớ đơn, ví dụ trong các sắp xếp như mã QR. Các điểm có thể được phủ màu, vì vậy việc kết hợp các phẩm màu (sáng và tối) với các trạng thái điện trở (cao và thấp) có thể tăng gấp đôi lượng thông tin lưu trữ và cũng đảm bảo được sự an toàn.

Theo Vista.vn