Struktur-Eigenschaft-Beziehungen für Manganit-basierte memristive Bauteile

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Roger De Souza, Ph.D.; Professorin Dr. Regina Dittmann
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391900697

Manganat Heterostrukturen zeigen vielversprechende resistiv schaltende Eigenschaften und stellen ideale Kandidaten für alternative nicht-flüchtige Speicher oder synaptische Einheiten in neuromorphen Schaltungen dar. Im Gegensatz zu den weit verbreiteten filamentär schaltenden Oxiden erfolgt der Schaltprozess in Manganaten in der komplette Zelle, was eine Verringerung der Variabilität bewirken kann. Darüber hinaus kann der elektronische und ionische Transport in diesen Materialien über die chemische Zusammensetzung und die Mikrostruktur variiert und dadurch die Schalteigenschaften der Zellen gezielt verändert werden. Obwohl bekannt ist dass der ionische Transport für den Schaltmechanismus eine zentrale Rolle spielt, gibt es noch sehr viele offene Fragen. Beispielsweise ist bekannt, dass Korngrenzen in Manganten den ionischen Transport signifikant beeinflussen, jedoch ist deren Einfluss auf das Schaltverhalten von polykristallinen, CMOS-kompatiblen Manganat-Dünnschichtzellen bisher nicht explizit untersucht worden. Um zu einer integralen Sicht der verschiedenen Einflussfaktoren von Manganat-Dünschichtzellen zu gelangen, wollen wir die komplementäre Expertise dreier international anerkannten Gruppen auf dem Gebiet des ionischen Transports in Manganaten (Grenoble, Aachen) und des resistiven Schaltens (Jülich) nutzen. Wir werden epitaktische Manganat-Modellsysteme mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und gut definierter Korngrenze, die durch die Verwendung von Bikristallsubstraten erzeugt wird, auf breiter Basis untersuchen. Die chemische Zusammensetzung und Struktur der Dünnschichten werden mit einer breiten Palette von Analysemethoden untersucht, die innerhalb des Konsortiums oder an verschiedenen europäischen Synchrotronquellen (z.B. SOLEIL und ESRF) zur Verfügung stehen. Dies beinhaltet Oberflächen-Analysemethoden wie Rastersondenmikroskopie oder Photoelektronen-Spektroskopie und Volumen empfindliche Methoden wie Raman-Spektroskopie oder Röntgen-Absorptionsspektroskopie. Operando Spektroskopie schaltender Zellen wird es uns ermöglichen, tiefere Einblicke in die chemischen und strukturellen Änderungen zu gewinnen, die während des Schaltens erfolgen. Die Diffusion und der Oberflächenaustausch von Sauerstoff wird in Dünnschichten unterschiedlicher Konfiguration durch Diffusionsexperimente mit 18O Markern in Kombination mit Time-of-flight secondary ion mass spectrometry und Raman Spektroskopie aufgeklärt. Diese experimentellen Studien werden ergänzt durch molekulardynamische Simulationen der Sauerstoffdiffusion im Volumen und innerhalb der Korngrenze. Dies wird es uns ermöglichen, das komplexe Wechselspiel zwischen Mikrostruktur, chemischer Zusammensetzung, dem ionischen und elektronischen Transport und dem Schaltverhalten von Manganaten zu entschlüsseln. Auf Basis dessen sollen neue Methoden zur Herstellung von CMOS-kompatiblen Manganat Dünnschicht-Zellen mit hoher Zuverlässigkeit und verbesserter Schaltkinetik entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerin: Dr. Mónica Burriel