Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Vorgänge in modernen ReRAM-Speicherzellen entschlüsselt

29.09.2015

Memristive Speicherzellen, kurz ReRAM, gelten als Superspeicher der Zukunft. Aktuell werden zwei Grundkonzepte verfolgt, die bisher mit unterschiedlichen Arten von aktiven Ionen in Verbindung gebracht wurden. Doch das ist nicht ganz richtig, wie Jülicher Forscher gemeinsam mit südkoreanischen, japanischen und amerikanischen Kollegen überraschend festgestellt haben. Denn in Valenzwechsel-Zellen (VCM) sind neben negativ geladenen Sauerstoff-Ionen – genau wie in elektrochemischen Metallisierungszellen (ECM) – auch positiv geladene Metall-Ionen aktiv. Der Effekt ermöglicht es, die Schalteigenschaften gezielt anzupassen und die beiden Konzepte ineinander zu überführen. (Nature Nanotechnology)

ReRAM-Zellen zeichnen sich durch eine besondere Eigenschaft aus: Ihr elektrischer Widerstand lässt sich durch das Anlegen einer elektrischen Spannung verändern. Dadurch verhalten sich die Zellen ähnlich wie ein magnetisches Material, das magnetisiert und wieder entmagnetisiert wird.


Bildung eines Tantalum (Ta)-Filaments in einer Ta/TaO(x)/Pt-ReRAM-Speicherzelle: Sauerstoffleerstellen und positiv geladene Ta(5+)-Ionen sind an dem Prozess beteiligt.

Copyright: Forschungszentrum Jülich / RWTH Aachen / Pössinger


Blick ins Oxid Cluster am Forschungszentrum Jülich, in dem resistive und andere Materialschichten im Ultrahochvakuum hergestellt und untersucht werden

Copyright: Forschungszentrum Jülich

Es gibt sozusagen einen ON- und einen OFF-Zustand. Auf diese Weise lassen sich digitale Informationen speichern, also Informationen, die nur zwischen „1“ und „0“ unterscheiden. Die wesentlichen Vorteile solcher ReRAMs: Sie lassen sich sehr schnell schalten, verbrauchen wenig Energie und sie behalten ihren Zustand auch dann eine lange Zeit bei, wenn keine äußere Spannung mehr anliegt.

Die memristiven Eigenschaften von ReRAMs beruhen auf mobilen Ionen. Sie bewegen sich, im Grunde ganz ähnlich wie in einer Batterie, zwischen zwei Elektroden in einer nur wenige Nanometer dicken Metalloxidschicht hin und her. Lange Zeit dachte die Forschung, dass sich VCMs und ECMs in ihrer Funktionsweise deutlich unterscheiden. Bei ECMs wird der ON- bzw. OFF-Zustand erreicht, indem sich metallische Ionen bewegen und faserartige Filamente bilden.

Das passiert, in dem eine elektrische Spannung angelegt wird. Dadurch wächst ein solches Filament zwischen den beiden Elektroden der Zelle. Die Zelle wird praktisch kurzgeschlossen – der Widerstand sinkt schlagartig. Durch die gezielte Steuerung des Vorgangs lassen sich dann die Informationen speichern.

Die Schalteigenschaften sogenannter VCMs wurden dagegen in erster Linie mit der Verschiebung von Sauerstoff-Ionen in Verbindung gebracht. Im Gegensatz zu den Metall-Ionen sind sie negativ geladen. Durch das Anlegen einer Spannung bewegen sich die Ionen aus einer sauerstoffhaltigen Metallverbindung heraus. Das Material wird schlagartig leitfähiger. Auch hier geht es darum, diesen Prozess gezielt zu steuern.

Allerdings entdeckten die Jülicher Forscher gemeinsam mit ihren Partnern von der Chonbuk National University in Jeonju, dem National Institute for Materials Science in Tsukuba und dem Massachussetts Institute of Technology (MIT) in Boston bei den VCMs einen unerwarteten zweiten Schaltprozess: Auch in VCMs tragen nämlich Metall-Ionen auch zu der Filamentbildung bei. Der Vorgang wurde erst sichtbar, weil die Wissenschaftler die Bewegung der Sauerstoff-Ionen unterdrückten. Dazu modifizierten sie die Oberflächen indem sie eine dünne Kohlenstoff-Schicht direkt über dem Elektrodenmaterial anbrachten.

In einem Fall verwendeten sie dafür das auch als „Wundermaterial“ bekannte Graphen, das nur aus einer einzigen Lage Kohlenstoff besteht. „Graphen soll den Transport von Sauerstoff-Ionen durch die Phasengrenze unterdrücken, und die Reaktionen von Sauerstoff bremsen. Wir konnten plötzlich eine Schaltcharakteristik beobachten, die der einer ECM-Zelle gleicht und gehen daher davon aus, dass auch in VCMs bewegliche Metall-Ionen aktiv sind. Dies wurde durch zusätzliche Experimenten mit Rastertunnelmikroskop (STM) und Diffusionsexperimente bestätigt. Offensichtlich unterstützen die Metall-Ionen den Schaltprozess zusätzlich“, so Dr. Ilia Valov, Elektrochemiker am Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-7).

Der Einbau einer derartigen Zwischenschicht aus Kohlenstoff würde es erlauben, bei VCMs vom einen zum anderen Schaltprozess zu wechseln. Daraus würden sich neue Möglichkeiten ergeben, ReRAMs zu konstruieren. „Je nach Anwendung kann man sich unsere Erkenntnisse zunutze machen, indem der Effekt bewusst verstärkt oder gezielt unterdrückt wird“, erläutert Valov. Die Ergebnisse der Wissenschaftler werfen jedoch auch Fragen auf: „Die bisherigen Modelle und Untersuchungen müssen auf Grundlage dieser Erkenntnisse nochmal überarbeitet und angepasst werden“, sagt der Jülicher Wissenschaftler. Weitere Tests sollen zudem klären, wie sich neuartige Bauelemente, die auf den Erkenntnissen aufbauen, in der Praxis verhalten.

Die Forschungsarbeiten wurden zum Teil vom BMBF (Projekt Nr. 03X0140) und SFB 917 der DFG finanziert.

Die Ergebnisse sind in den Fachzeitschriften „Nature Nanotechnology“ und „Advanced Materials“ erschienen.

Originalpublikationen:
Nanoscale cation motion in TaOx, HfOx and TiOx memristive systems
Anja Wedig, Michael Luebben, Deok-Yong Cho, Marco Moors, Katharina Skaja, Vikas Rana, Tsuyoshi Hasegawa, Kiran K. Adepalli, Bilge Yildiz, Rainer Waser, Ilia Valov
Nature Nanotechnology (published 28 September 2015), DOI: 10.1038/nnano.2015.221
Abstract: http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2015.221

Graphene-Modified Interface Controls Transition from VCM to ECM Switching Modes in Ta/TaOx Based Memristive Devices
Michael Lübben, Panagiotis Karakolis, Vassilios Ioannou-Sougleridis, Pascal Normand, Panagiotis Dimitrakis, Ilia Valov
Advanced Materials (first published 10 September 2015), DOI: 10.1002/adma.201502574
Abstract:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201502574/abstract

Weitere Informationen:
Internet-Dossier „Resistive Speicher“: http://www.fz-juelich.de/portal/DE/Forschung/it-gehirn/ResistiveSpeicher/_node.h...
Peter Grünberg Institut, Elektronische Materialien (PGI-7): http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-7/DE/Home/home_node.html

Ansprechpartner:
Dr. Ilia Valov, Peter Grünberg Institut, Elektronische Materialien (PGI-7)
Tel. +49 2461 61-2994
i.valov@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Tobias Schlößer, Unternehmenskommunikation
Tel. +49 2461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2015/15-09-28nnano_...

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Kaltwasserkorallen: Versauerung schadet, Wärme hilft
27.04.2017 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

nachricht Auf dem Gipfel der Evolution – Flechten bei der Artbildung zugeschaut
27.04.2017 | Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

Jenaer Akustik-Tag: Belastende Geräusche minimieren - für den Schutz des Gehörs

27.04.2017 | Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

VLC 200 GT von EMAG: Neue passgenaue Dreh-Schleif-Lösung für die Bearbeitung von Pkw-Getrieberädern

27.04.2017 | Maschinenbau

Induktive Lötprozesse von eldec: Schneller, präziser und sparsamer verlöten

27.04.2017 | Maschinenbau

Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

27.04.2017 | Informationstechnologie