Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Batterie und Datenspeicher zugleich

24.04.2013
Zukünftige nanoelektronische Informationsspeicher sind gleichzeitig winzige Batterien – verblüffende Erkenntnis eröffnet neue Möglichkeiten

Resistive Speicherzellen (ReRAM) gelten als vielversprechende Lösung für künftige Generationen von Computerspeichern. Durch ihren Einsatz wird sich der Energieverbrauch moderner IT-Systeme drastisch verringern und die Leistungsfähigkeit gleichzeitig deutlich steigern lassen.


Aufbau einer resistiven Speicherzelle (ReRAM): Zwischen den beiden Elektroden baut sich eine elektrische Spannung auf, sodass die Speicherzellen als winzige Batterien betrachtet werden müssen. Sogenannte Filamente, die sich durch Ablagerungen im Betrieb bilden, können die Batterieeigenschaften verändern.
Quelle: Jülich-Aachen Research Alliance (JARA)

Entgegen der gängigen Theorie sind diese neuartigen Speicherzellen keine rein passiven Bauelemente, sondern müssen als winzige kleine Batterien betrachtet werden. Dies haben Forscher der Jülich-Aachen Research Alliance (JARA) in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications nachgewiesen.

Die entdeckte Eigenschaft birgt neue Möglichkeiten für weitere Anwendungen. Die Forschungsgruppe hat bereits eine Idee zum Patent angemeldet, wie sich mithilfe der Batteriespannung das Auslesen der Daten verbessern lässt.

Herkömmliche Datenspeicher arbeiten auf der Basis von Elektronen, die verschoben und gespeichert werden. Doch Elektronen sind – selbst für atomare Verhältnisse – extrem klein. Sie lassen sich nur mit großem Aufwand, mit relativ dicken Isolatorwänden etwa, "bändigen", sodass die Informationen nicht verloren gehen. Dies beschränkt nicht nur Speicherdichte und Geschwindigkeit, sondern kostet auch viel Energie. Aus diesem Grund wird weltweit fieberhaft an nanoelektronischen Bauelementen geforscht, die Ionen, also geladene Atome, zur Datenspeicherung nutzen. Diese sind einige Tausend Mal schwerer als Elektronen und viel besser "festzuhalten". Dadurch lassen sich die einzelnen Speicherelemente beinahe zu atomaren Dimensionen verkleinern, was die Speicherdichte enorm verbessert.

In sogenannten resistiven Speicherzellen (ReRAM) verhalten sich die Ionen auf Nanometerskala ähnlich wie in einer Batterie. Die Zellen enthalten zwei Elektroden, beispielsweise aus Silber und Platin, an denen sich die Ionen lösen und wieder niederschlagen. Dadurch verändert sich der elektrische Widerstand, was sich für die Speicherung von Daten ausnutzen lässt. Die Reduktions- und Oxidationsprozesse zeigen darüber hinaus aber noch eine andere Wirkung: Sie erzeugen eine elektrische Spannung. ReRAM–Zellen sind demnach keine rein passiven Systeme, sondern aktive elektrochemische Bauelemente. Sie müssen folglich als winzig kleine Batterien betrachtet werden, deren Eigenschaften entscheidend sind für die korrekte Modellierung und Entwicklung zukünftiger Datenspeicher.

Die Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen haben in aufwendigen Versuchen die Batteriespannung von typischen Vertretern der ReRAM-Zellen bestimmt und mit theoretisch zu erwartenden Werten verglichen. So konnten weitere Eigenschaften (z. B. der ionische Widerstand) bestimmt werden, die vorher weder bekannt noch zugänglich waren. "Im Nachhinein ist das Vorhandensein einer Batteriespannung in ReRAM selbstverständlich. Aber während des neunmonatigen Begutachtungsprozesses des jetzt veröffentlichten Papers war sehr viel Überzeugungsarbeit zu leisten, da die Batterie-Spannung in ReRAM-Zellen drei verschiedene prinzipielle Ursachen haben kann und die Zuordnung der korrekten Ursache alles andere als trivial ist", berichtet Dr. Ilia Valov, Elektrochemiker in der Forschergruppe um Prof. Rainer Waser.

Die neue Erkenntnis ist insbesondere auch für die theoretische Beschreibung der Speicherbauelemente von zentraler Bedeutung. Bisher wurden ReRAM-Zellen mithilfe der Theorie der sogenannten "Memristoren" – zusammengesetzt aus "Memory", Speicher, und "Resistor", Widerstand – beschrieben. Das aus den 1970er Jahren stammende, theoretische Konzept wurde 2008 vom IT-Unternehmen HP erstmals auf ReRAM-Zellen angewandt. Es zielt auf die dauerhafte Speicherung von Information durch die Veränderung des elektrischen Widerstands ab. Aus der Memristor-Theorie ergibt sich allerdings eine wichtige Einschränkung. Sie ist auf passive Bauelemente beschränkt. "Die nachgewiesene, interne Batterie-Spannung der ReRAM-Elemente verletzt eindeutig das mathematische Gedankengebäude der Memristor-Theorie. Die Theorie muss zur Beschreibung der ReRAM-Elemente aufgegeben werden - oder man muss sie zu einer ganz neuen Theorie erweitern", sagt Dr. Eike Linn, Spezialist für Schaltungskonzepte in der Autorengruppe. Damit wird auch die Entwicklung jedes mikro- und nanoelektronischen Chips auf völlig neue Grundlagen gestellt.

"Die neuen Ergebnisse werden dazu beitragen, einige zentrale Rätsel in der internationalen ReRAM-Forschung zu klären", ist Prof. Rainer Waser, stellvertretender Sprecher des 2011 neu eingerichteten Sonderforschungsbereichs SFB 917 "Nanoswitches" der RWTH Aachen, überzeugt. In den letzten Jahren wurden beispielsweise unerklärliche Langzeitdrift-Phänomene beobachtet oder systematische Parameterstreuungen, die der Fertigung zugeschrieben wurden.

"Im Licht der neuen Erkenntnis wird es möglich, nun zielgerichtet das Design der ReRAM-Zellen zu optimieren und eventuell sogar Wege zu finden, die Batteriespannung der Zellen für völlig neue Anwendungen zu nutzen, die bisher jenseits aller technischen Möglichkeiten lagen", so der Leiter des Instituts für Werkstoffe der Elektrotechnik II (IWE II) an der RWTH Aachen sowie des Bereichs Elektronische Materialien am Peter Grünberg Institut (PGI-7) des Forschungszentrums Jülich. Seit Jahren arbeitet er mit Firmen wie Intel und Samsung Electronics auf dem Gebiet der ReRAM-Elemente zusammen.

Originalpublikation:
I. Valov,E. Linn, S. Tappertzhofen, S. Schmelzer, J. van den Hurk, F. Lentz & R. Waser
Nanobatteries in redox-based resistive switches require extension of memristor theory
Nature Communications. 23. April 2013
DOI: 10.1038/ncomms2784
Abstract: http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/full/ncomms2784.html

Weitere Informationen:
Jülich-Aachen Research Alliance for Fundamentals of Future Information Technologies (JARA-FIT): http://www.jara.org/de/research/jara-fit/
Electronic Materials Research Lab (EMRL): http://www.emrl.de/h_.html
SFB 917 Nanoswitches: http://www.sfb917.rwth-aachen.de/

Ansprechpartner:
Prof. Rainer Waser, Leiter des Peter Grünberg Instituts (PGI-7), Bereich Elektronische Materialien, des Forschungszentrums Jülich & Leiter des Instituts für Werkstoffe der Elektrotechnik II (IWE II) der RWTH Aachen
Tel. 0241 8027812
waser@iwe.rwth-aachen.de

Pressekontakt:
Christian Schipke
Tel. 02461 61-3835
c.schipke@fz-juelich.de

Tobias Schlößer
Tel. 02461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de

Tobias Schlößer | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Interdisziplinäre Forschung:

nachricht Blick unter den Gletscher
12.06.2017 | Universität Bern

nachricht ROBOLAB generiert neue Forschungsansätze und Kooperationen
08.05.2017 | Hochschule Mainz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Interdisziplinäre Forschung >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen

27.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wave Trophy 2017: Doppelsieg für die beiden Teams von Phoenix Contact

27.06.2017 | Unternehmensmeldung

Warnsystem KATWARN startet international vernetzten Betrieb

27.06.2017 | Informationstechnologie