FOR 2093

A2: Vertikale und horizontale memristive Nanokompositbauelemente ohne Filamentbildung

Im Teilprojekt A2 sollen vertikale und horizontale memristive Bauelemente auf der Basis von Nanokompositen mit einem Konzentrationsgradienten von Silbernanopartikeln in einer dielektrischen organischen oder anorganischen Matrix untersucht werden, die zwischen zwei Metallelektroden angeordnet sind.  Einem kürzlich in der Literatur vorgestelltem Konzept folgend [Jo et al., Nano Lett. 10 (2010) 1297-301] soll durch ein an Metlallelektroden angelegtes Feld eine Front von Silberionen reversibel vom Bereich hoher in den Bereich niedriger  Nanopartikelkonzentration verschoben werden, was zu einer flussabhängigen Änderung der elektronischen Hopping-Leitfähigkeit zwischen den Nanopartikeln führt. Durch den erwarteten homogenen Ionentransport sollte sich eine Filamentbildung und der dadurch erforderliche Elektroformierungsprozess, der Anwendungen in komplexen neuromorphen Schaltungen ausschließt, vermeiden lassen. Insbesondere sollte die bei der Filamentbildung beobachtete Bistabilität vermieden und ein analoges Verhalten erreicht werden, das zu hoher synaptischer Plastizität führt, wie sie von biologischen Systemen mit einer Vielzahl von Zuständen zwischen der niedrigsten und der höchsten Leitfähigkeit bekannt ist. Durch Maßschneidern der Nanostruktur sollten sich hohe Widerstände einstellen lassen, die für verlustarme neuronale Schaltungen unabdingbar sind. Ferner tritt eine Schwellspannung auf, die mit der Aktivierungsenergie des Ionentransports zusammenhängt und über die Matrixeigenschaften eingestellt werden soll. Das Auftreten einer  Schwellspannung ist u.a. für das zerstörungsfreie Auslesen des Widerstandzustandes wichtig.  Zur Erreichung einer hohen Zyklenzahl sind verschiedene Ansätze geplant. Durch Fertigen sowohl in horizontaler als auch vertikaler Ausrichtung kann eine breite Variation der Kanallänge, -breite und -höhe erreicht werden, so dass der der Einfluss der Kanalgeometrie auf die Wirkungsweise des Bauteils exakt erfasst werden kann. Neben klassischen Strukturierungsmethoden wie Elektronenstrahllithographie soll für die horizontalen memristiven Bauelemente ein Ansatz verfolgt  werden, der auf Nanoschattenmasken beruht und es ermöglicht, horizontale Gradienten kontrolliert auf der Nanoskala zu erzeugen. Die horizontale Ausrichtung der memristiven Bauelemente erlaubt ferner das Anbringen einer weiteren Elektrode und den Bau von „three terminal devices“ mit zusätzlicher Funktionalität. Eine elektrische Charakterisierung kann durch einen dritten Kontakt, z.B. mittels einer leitfähigen AFM-Spitze, durchgeführt werden. Die horizontale Ausrichtung ermöglicht ferner In-situ-Experimente im Transmissionselektronenmikroskop. Ein weiterer Charakterisierungsschwerpunkt wird die FFT- Impedanzspektroskopie sein, dazu kann die elektrische und ionische Leitfähigkeit separat ermittelt und in ihrer Wechselwirkung untereinander für horizontale und vertikale Geometrie detailliert beschrieben werden.