Schaltkinetik memristiver Bauelementen basierend auf topotaktischen Brownmillerit-Perowskit-Phasenübergängen (MEMTOP)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Roger De Souza, Ph.D.; Professorin Dr. Regina Dittmann
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505655178

Redox-basierte memristive Zellen sind hochattraktive Kandidaten für zukünftige nicht-flüchtige Datenspeicher und künstliche Synapsen in neuromorphen Schaltungen. Üblicherweise basiert das Schaltverhalten solcher Zellen auf der feldgetriebenen Bewegung von Sauerstoffionen, die eine nanoskalige Redox-Reaktion induziert. In Dünnschichten mancher Perowskite wie Manganiten, Ferriten oder Cobaltiten führt diese Redoxreaktion zu einer tototaktischem Phasenumwandlung zwischen der leitfähigen Perowskitphase (PV) mit ungeordneten Sauerstoffleerstellen und der isolierenden Brownmillerite (BM) Phase mit geordneten Sauerstoffleerstellen. Es ist zu erwarten, dass die Kinetik des Sauerstoffionentransports die Eigenschaften der memristiven Zellen in Bezug auf die Schaltgeschwindigkeit, die Retention und die Plastizität der künstlichen Synapsen stark beeinflusst, aber zurzeit ist die Kinetik des Ionentransports nur unvollständig verstanden. Man weiß nur, dass das resistive Schalten in BM Dünnschichten von der Orientierung abhängt. In diesem Projekt kombinieren wir experimentelle und theoretische Techniken, um den orientierungsabhängigen Ionentransport in Cobaltit- und Ferrit BM Dünnschichten und der Schaltkinetik der entsprechenden memristen Zellen aufzuklären. Dazu entwickeln wir zunächst Herstellungsprozesse für BM Dünnschichten unterschiedlicher Orientierung mittels gepulsten Laserdeposition (PLD) und Metallorganisches Gasphasenabscheidung (MOCVD). Diese Proben werden zum einem mittels in-situ Röntendiffraktometrie (XRD) und in-situ Raman Spektroskopie untersucht, um die Dynamik der topotaktischen Phasenumwandlung zu untersuchen. Zum anderen werden die Proben mittels 18O Isotopenaustauschs und anschließender Sekundärionen Massenspektrometrie bzw. Ramanspektroskopie untersucht, um die Tracerdiffusionskoeffizienten sowohl in der PV Phase als auch in der BM Phase zu bestimmen. Beide Teile dieser Studie werden durch Molekulardynamik (MD) Simulationen unterstützt. Auf diese Weise werden wir den Zusammenhang zwischen der Dynamik des topotaktischen Phasenübergangs und des Ionentransports in den unterschiedlichen Kristallrichtungen aufklären. In der dritten Phase werden wir die Schaltkinetik und den Schaltmechanismus der memristiven BM Zellen unterschiedlicher Orientierung mittels verschiedener operando Schalttechniken bestimmen. Durch die Zusammenführung dieser Erkenntnisse über die topotaktischen Phasenübergänge werden wir Designregeln für memristive Zellen mit verbesserter Schaltkinetik erlangen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerin: Dr. Mónica Burriel