Memristive Bauelemente

Nichtflüchtige Speicher können gespeicherte Informationen auch nach dem Abschalten der Stromversorgung aufbewahren. Sie spielen eine wichtige Rolle in der künftigen Informationstechnologie und ermöglichen neue Konzepte für neuromorphes Computing. Eine vielversprechende Art von nichtflüchtigen Speichern basiert auf resistivem Schalten, einem Phänomen, das in zwei verschiedenen Gruppen von Materialien mit unterschiedlichen Schaltmechanismen zu finden ist. Eine Gruppe von Materialien sind Chalkogenide auf Ge-Sb-Te-Basis, bei denen der resistive Schaltmechanismus auf dem reversiblen Phasenwechsel zwischen dem amorphen und dem kristallinen Zustand beruht.

Die andere Gruppe von Materialien sind Metalloxide, bei denen resistives Schalten durch einen reversiblen redoxbasierten Valenzwechsel zwischen dem hohen und dem niedrigen Valenzzustand des Metalls erreicht wird. Bauelemente mit einer Metall-Isolator-Metall-Struktur (MIM), wobei der Isolator ein Phasenwechselmaterial (PCM) oder ein Valenzwechselmaterial (VCM) sein kann, werden als Memristoren bezeichnet. Sie weisen Hysterese-I-U-Kurven auf, wobei die unterschiedlichen Steigungen der Kurven verschiedene Widerstandswerte darstellen, die es ermöglichen, die binäre Information "1" und "0" zu kodieren.

Wegen des wachsenden Bedarfs an Miniaturisierung der Geräte ist es daher sowohl von grundlegender als auch von technologischer Bedeutung, den Phasenwechsel und die Valenzänderung auf atomarer Ebene zu charakterisieren.

Wir streben an, Techniken für die quantitative Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), die Datenanalyse und die Modellierung von TEM-Experimenten und -Materialien zu entwickeln und diese Techniken auf die Charakterisierung von Oberflächen, Grenzflächen und Defekten in memristiven Materialien und Geräten anzuwenden. Die entwickelten TEM-Techniken ermöglichen es uns, die beobachteten einzelnen Atome mit den lokalen Materialeigenschaften zu korrelieren, wodurch es möglich wird, die Struktur-Eigenschafts-Beziehung bis hinunter auf die atomare Ebene herzustellen.

So haben wir beispielsweise die monochromatische Elektronen-Energieverlustspektroskopie (EELS) im aberrationskorrigierten Scanning-TEM (STEM) angewandt, um die Valenzänderungen von 4+ zu 3+ Ti in nanoskaligen leitenden Filamenten in einem Memristor auf der Basis eines Fe-dotierten SrTiO₃-Dünnfilms quantitativ abzubilden [1]. Als weiteres bemerkenswertes Beispiel haben wir die Technik der negativen sphärischen Aberration (NCSI) im aberrationskorrigierten konventionellen TEM (CTEM) verwendet und den Ursprung der nanoskaligen ferroelektrischen Phase an Zwillingsgrenzen in verzwillingten HfO₂-Nanokristallen durch präzise Auflösung sowohl der schweren Hf- als auch der leichten O-Atome aufgezeigt [2].

Literatur:

[1] H. Du, C.-L. Jia, A. Koehl, J. Barthel, R. Dittmann, R. Waser, J. Mayer, Chem. Mater. 29 (2017) 3164–3173 (doi: 10.1021/acs.chemmater.7b00220).

[2] H. Du, C. Groh, C.-L. Jia, T. Ohlerth, R.E. Dunin-Borkowski, U. Simon, J. Mayer, Matter. 4 (2021) 986–1000 (doi: 10.1016/j.matt.2020.12.008).

[3] H. Du, C.-L. Jia, L. Houben, V. Metlenko, R.A. De Souza, R. Waser, J. Mayer, Acta Mater. 89 (2015) 344–351 (doi: 10.1016/j.actamat.2015.02.016).

[4] H. Du, C.-L. Jia, J. Mayer, J. Barthel, C. Lenser, R. Dittmann, Adv. Funct. Mater. 25 (2015) 6369–6373 (doi: 10.1002/adfm.201500852).

[5] H. Du, C.-L. Jia, J. Mayer, Faraday Discuss. 213 (2019) 245–258 (doi: 10.1039/C8FD00102B).

Kontakt: