加拿大展示他们新的自动探针存储技术

为了展示他们新的自动探针存储技术，加拿大研究人员不仅制作出了世界上最小的枫叶，而且还以每平方英寸138TB的密度（大致相当于在一粒米上书写35万个字母）将整个字母表编码存储于其上。

加拿大阿尔伯塔大学的研究人员通过使用扫描隧道显微镜（STM）从硅片表面去除和替换氢原子，为可重写数据存储技术开发出了一种新方法。如果这种方法的潜力得以实现，它可能会使数据存储技术发生飞跃，达到的存储数据能力将是如今的硬盘1000多倍，容量可达每平方英寸138 TB。

Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在1986年开发了第一个STM，后来他们因此获得了诺贝尔物理学奖。自从30多年前STM利用一种被称为隧道效应的现象（它导致电子从材料表面的原子跳跃到悬在其上方几埃处的超尖电极的顶端）首次对原子进行了成像以来，该技术已经成为纳米技术的支柱。

除了过去30年在原子尺度上对世界进行成像外，人们还将STM作为一种有潜力的数据存储技术进行了实验。去年，我们报道了IBM （也是Binnig和Rohrer首次开发出STM时所在的公司）如何将STM与铁原子结合使用，作为电子自旋共振传感器来读取钬原子的磁极。钬原子的南北两极分别充当数字逻辑的0和1。

加拿大研究人员采用了一种不同的方法，通过将一种已知的技术自动化使STM进到了数据存储设备中。这种技术使用STM的超尖顶端在原子上方施加电压脉冲以从从硅片的表面移除氢原子。一旦氢原子被移除，表面就会出现空位。这些空位可以在表面上形成图案，用以创建存储设备。

阿尔伯塔大学的博士、在《自然通讯》（Nature Communications）上发表的这项研究的第一作者Roshan Achal解释说，“我们已经将移除过程自动化了，因此是可以进入设计并在没有用户干预的情况下创建它的。”

虽然Achal解释说这个过程高度精确，但它并不完美，有时会从不正确的位置移除氢原子。这类型的错误需要从头开始尝试来创建设计。

他解释说：“我们已经开发出一种程序，允许我们替换表面上的单个原子以消除这些错误，而不是每次发生错误时从零开始。”

为了替换表面上的一个原子，氢原子必须位于尖端的表面。通过使尖端越来越靠近表面，氢原子可以从尖端跳跃到表面。他补充说：“我们发现，在转移发生时会有两个独特的signature，可以用来帮助自动化这个程序。”

虽然这些技术可能属于纳米级制造的广泛范畴，但根据Achal的说法，这种技术的主要区别在于在硅表面上制造结构时所达到的精度和自动化程度。此外，还没有其他纳米加工技术能够以一种可控的方式连续地替换表面上的氢原子。

STM在数据存储方面的最大限制之一可能是需要低温。然而，就其本质而言，使用这种最新的方法——端基为氢的硅系统，能够制造出在室温以上保持稳定的结构。

“这种稳定性是以制造结构时的难度增加为代价的，”Achal说。“然而，通过这些新技术，我们已经克服了许多相关问题，使该系统成为一个非常有趣的新技术应用候选者。”

这种方法当然解决了让这种设备工作所需的低温问题，但它是否可以扩展？Achal认为，没有物理限制阻止这些过程的速度达到实用水平。

Achal和他的同事们正在研究提高速度的新方案，但目前也有一些方法可以扩展这些过程，而不需要显著地改变程序。根据Achal的说法，最容易获得的解决方案是在STM中将许多尖端并行化。他还指出，有一些用作尖端的材料可以同时容纳1000个氢原子。如果这些材料成为尖端的可行选项，那么它们将能实现更快的擦除/重写速度。

与此同时，IBMMillipede项目的阴影笼罩着大规模并行化的提议。IBM Millipede本质上是使用一个由数千个微型原子力显微镜（AFM）组成的阵列作为存储设备。苏黎世IBM研究中心的研究员Paul Seidler七年前表示，IBM已经放弃了将Millipede项目作为替代性的数据存储技术，转而发现了其最有可能的角色——作为光刻技术的探针。

这种STM方法若要在数据存储方面获得比Millipede项目更成功的命运的话，在STM内实现尖端的并行化方面，Achal和他的同事们还需要迈出一大步。