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Nanoschalter können mehr als 0 und 1

27.05.2011
In einem neuen Sonderforschungsbereich wollen Naturwissenschaftler und Ingenieure der RWTH Nanoschalter entwickeln, die ähnlich wie Nervenzellen arbeiten.

Mit Smartphones, Digitalkameras oder Notebooks haben rasante Entwicklungen der Mikro- und Nanoelektronik unser Leben nachdrücklich verändert. Daran hat die fortschreitende Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen einen wesentlichen Anteil. Allerdings stößt die Verkleinerung von Schaltkreisen zunehmend an physikalische Grenzen.

Zudem beeinträchtigen strukturelle Defekte in der konventionellen Halbleiterelektronik die Qualität von Bauelementen. Auf der anderen Seite können solche Defekte in bestimmten Chalkogeniden die entscheidenden nanoskaligen Funktionseinheiten sein. Chalkogenide sind Verbindungen der Elemente Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur, die es erlauben, den Widerstand durch Anlegen einer elektrischen Spannung zu verändern.

Dieses Phänomen wird auch „memristiv“ genannt – eine Wortkombination aus „Memory“ und „Resistor“. Memristive Chalkogenide wurden in den letzten Jahren zu einem international hochaktuellen Forschungsthema, da man hofft, die energieeffizienten Eigenschaften memristiver Chalkogenidzellen in naher Zukunft in elektronischen Bauelementen voll auszuschöpfen.

Diesen wissenschaftlichen Ansatz wird die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) in den kommenden vier Jahren durch die Bewilligung des neuen Sonderforschungsbereichs 917 „Resistiv schaltende Chalkogenide für zukünftige Elektronikanwendungen“ fördern. Dabei untersucht ein interdisziplinärer Verbund von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren der RWTH und des Forschungszentrums Jülich drei unterschiedliche Schaltmechanismen der neuartigen Nanoschalter. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen sollen neue Chalkogenidzellen erforscht werden, die ultraschnell und extrem energieeffizient schalten.

Dies könnte nicht nur die digitalen Speicher revolutionieren, sondern auch in der Computerprozessortechnik zum „Rechnen“ genutzt werden. Langfristig könnten diese memristiven Zellen dazu führen, dass sich die Computertechnik vom Rechnen mit „0“ und „1“ löst und neuromorph wird, das heißt in neuronalen Schaltungen ähnlich wie die Nervenzellen im menschlichen Körper arbeiten. Dies liegt an der einzigartigen Charakteristik memristiver Elemente, nicht nur die Widerstandswerte der ON- und OFF-Zustände speichern zu können, sondern auch beliebige Zwischenwerte programmieren zu lassen. Damit ist der Weg für einen völlig neuartigen Ansatz in der Realisierung künstlicher neuronaler Netze geebnet, die erstmals hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen und ihrer Energieeffizienz dem biologischen Vorbild nahekommen oder es sogar übertreffen könnten.

„Die Ergebnisse der Forschungen in dem neuen SFB könnten zu einem Paradigmenwechsel in der Halbleiterelektronik und zu neuen defektbasierten Bauelementen führen“, erläutert Univ.-Prof. Dr. rer.nat. Matthias Wuttig, Sprecher des SFB. „Um die Herausforderungen dieser anspruchsvollen Thematik zu meistern, arbeiten Wissenschaftler der RWTH Aachen eng mit Kollegen vom Forschungszentrum Jülich zusammen“, so der Inhaber des Lehrstuhls für Experimentalphysik IA weiter. Diese sowohl sehr kleinen als auch sehr schnellen neuartigen Nanoschalter sollen in einem interdisziplinären Team aus Naturwissenschaftlern und Elektrotechnikern realisiert werden. Dabei müssen zum einen die ungewöhnlichen Eigenschaften der ‚Schaltermaterialien‘ verstanden werden. Daneben gilt es, für eine gezielte Optimierung der Schalter, diese sehr schnellen Prozesse auf den relevanten atomaren Skalen zu begreifen. Schließlich geht es darum, diese in neuartige Rechnerarchitekturen zu integrieren, die entsprechende elektronische Funktionen ermöglichen. Um die anspruchsvollen Aufgaben zu meistern, nimmt die interdisziplinäre Zusammenarbeit eine wichtige Rolle ein. So stammen der Sprecher Prof. Wuttig und sein Stellvertreter, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rainer Waser, aus zwei Fakultäten der RWTH, die beide zudem am Forschungszentrum Jülich (FZ) tätig sind. Die Zusammenarbeit mit dem FZ ermöglicht durch seine Großgeräte-Infrastruktur sowie die Expertise in der Theorie und der spezifischen Messtechnik für Untersuchungen auf der atomaren Skala besondere Möglichkeiten, die für die Thematik des SFB von grundlegender Bedeutung sind. Zur Bündelung dieses Forschungspotenzials wurde 2007 die Jülich-Aachen Research Alliance (JARA) gegründet. Der neue SFB wird als erster von dieser Allianz profitieren und in der JARA-Sektion “Fundamentals of Future Information Technology“ (kurz: JARA-FIT) angesiedelt sein.

Bei seiner Frühjahrssitzung entschied der zuständige Ausschuss der DFG weitere Förderungen von Sonderforschungsbereichen mit Beteiligung der RWTH: Der SFB/Transregio 96 trägt den Titel „Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen“. Als Sprecherhochschule fungiert die TU Dresden. Die RWTH Aachen und die TU Chemnitz sind an den insgesamt 19 Teilprojekten beteiligt. Dieser interdisziplinäre und standortübergreifende Forschungsverbund will den Zielkonflikt von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität lösen. Am Beispiel der spanenden Fertigung wollen die Wissenschaftler aufzeigen, wie sich Abschaltmaßnahmen, beispielsweise im Stand-by-Betrieb, ohne Genauigkeitsverluste realisieren lassen.

Auch für den SFB 761“Stahl ab initio - Quantenmechanisch geführtes Design neuer Eisenbasiswerkstoffe“ gab es gute Nachrichten: Der 2007 gegründete SFB, bei dem Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck, Leiter des Instituts für Eisenhüttenkunde, als Sprecher fungiert, wird über weitere vier Jahre gefördert.

i.A. Sabine Busse

Thomas von Salzen | idw
Weitere Informationen:
http://www.sfb.rwth-aachen.de

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