Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanoelektronik: Bewegliche Teilchen im Festkörper

26.06.2014

Detaillierte Einblicke in die Schaltvorgänge resistiver Schaltelemente

Hocheffizient, energiesparend und äußerst schnell: Resistive Schalter gelten als vielversprechende Komponenten für Computer der nächsten Generation. Jülicher Wissenschaftler haben gemeinsam mit amerikanischen Partnern nun erstmals beobachtet, wie sich die Strukturen im Innern dieser zukunftsweisenden Schaltelemente im Detail ausbilden.


Aufbau einer resistiven Speicherzelle (ReRAM): Sogenannte Filamente verändern den elektrischen Widerstand – was sich zur Speicherung von Informationen nutzen lässt.

Quelle: Jülich-Aachen Research Alliance JARA


Aufnahme mit dem Transmissionselektronenmikroskop: Wachstum und Verlagerung von Silber-Nanopartikeln unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Das ursprüngliche Metallpartikel löst sich auf (oben) und scheidet sich an einem neuen Keim ab. So entsteht eine effektive Verschiebung des Partikels (unten).

Quelle: Nature Communications / Ilia Valov, Wei D. Lu (Verwendung bitte nur mit Quellenangabe im Kontext der Berichterstattung über die zugrundeliegende Nature-Publikation.)

Obwohl es sich um einen Festkörper handelt, bewegen sich Metallatome darin hin und her. Der genaue Mechanismus war lange unklar. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Communications nachzulesen.

Computer-Chips auf der Basis von resistiven Schaltern, etwa resistive Speicherelemente – kurz ReRAM, wären nicht nur deutlich energieeffizienter und schneller als heutige Datenspeicher. Sie ermöglichen es auch, Logik- und Speicherfunktionen miteinander zu vereinen.

Damit sind diese nanoelektronischen Bauteile ideale Kandidaten für den Aufbau neuromorpher Schaltungen. Solche Hardware ist dem Vorbild biologischer Nervenzellen nachempfunden und schon von sich aus lernfähig.

Aufnahmen mit dem Transmissionselektronenmikroskop aus dem Innern einer solchen resistiven Speicherzelle zeigen nun, wie sich Nanopartikel aus wenigen Metallatomen unter dem Einfluss eines elektrischen Felds bewegen.

Diese sogenannten Cluster formieren sich zu einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den beiden Elektroden der Speicherzelle. Dieses Filament verändert den elektrischen Widerstand. Der Effekt lässt sich zum Verarbeiten und Speichern von Informationen nutzen. Die Daten bleiben auch dann noch erhalten, wenn kein Strom fließt.

„Die Beobachtung der Teilchenbewegung ist ein großartiges Ergebnis“, freut sich Dr. Ilia Valov vom Jülicher Peter Grünberg Institut, Elektronische Materialien (PGI-7). „Unsere Arbeit liefert erstmals eine Erklärung, wie die bekannten unterschiedlichen Zustände von resistiven Zellen zustande kommen. Mithilfe der zugrundeliegenden Prinzipien lässt sich vorhersagen, wie die Prozesse in Abhängigkeit von Materialeigenschaften und der lokalen elektrischen Stromstärke ablaufen.“

Gemeinsam mit amerikanischen Partnern hat der Jülicher Wissenschaftler die Bewegungsmuster für verschiedene Metalle, darunter auch Silber und Platin, verfolgt. „Vergleichbar mobile Atome wurden bisher eher mit Flüssigkeiten und Gasen in Verbindung gebracht. Dies ist das erste Mal, dass solche Bewegungen in einem Festkörper sichtbar gemacht werden konnten“, betont Prof. Wei Lu von der University of Michigan.

Die Erkenntnisse könnten neue Ansätze für das Design von Computer-Chips ermöglichen. So werden etwa Verfahren denkbar, bei denen sich die Schaltkreise erst nachträglich durch fein aufeinander abgestimmte elektrische Signale gezielt ausformen lassen. Darüber hinaus werfen die Erkenntnisse ein neues Licht auf bestimmte Vorgänge wie Alterungsprozesse von modernen Kondensatoren, Katalysatoren und sogenannten Metamaterialien, die aus ganz ähnlichen Materialkombinationen bestehen.

Originalpublikation:
Electrochemical dynamics of nanoscale metallic inclusions in dielectrics
Yuchao Yang, Peng Gao, Linze Li, Xiaoqing Pan, Stefan Tappertzhofen, ShinHyun Choi, Rainer Waser, Ilia Valov & Wei D. Lu
Nature Communications (published online 23 June 2014), doi:10.1038/ncomms5232
Abstract: http://www.nature.com/ncomms/2014/140623/ncomms5232/abs/ncomms5232.html

Weitere Informationen:
Pressemitteilung der University of Michigan vom 24. Juni 2014, „Metal particles in solids aren't as fixed as they seem, new memristor study shows“: http://ns.umich.edu/new/releases/22257-metal-particles-in-solids-aren-t-as-fixed...
Peter Grünberg Institut, Elektronische Materialien (PGI-7): http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-7/DE

Ansprechpartner:
Dr. Ilia Valov, Peter Grünberg Institut, Elektronische Materialien (PGI-7)
Tel. 02461 61-2994
i.valov@fz-juelich.de

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

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2014/14-06-26-teilc...

Tobias Schlößer | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Astrophysik

nachricht Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt
22.06.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

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...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften