Koordinationscluster mit oktaedrischer Geometrie als Grundlage für hochgeordnete gemischtmetallische Oxidschichten mit ausgeprägten memristiven Eigenschaften

• Antragsteller: Dr. Jürgen W. Gerlach; Dr. Kirill Monakhov
• Fachliche Zuordnung: Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537270815

Oxidschichten von Übergangsmetallen spielen eine zentrale Rolle für die Herstellung von memristiven Datenspeichern, in denen Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit (z.B. durch lokale Valenzwechsel der Metallzentren) beim Anlegen von externen Potentialen für die Speicherung von Informationen genutzt werden. Diese Speicher zeichnen sich durch hohe Energieeffizienz, Skalierbarkeit und Beständigkeit aus, was sie in vielen Bereichen zur zukunftsträchtigen Alternative für gängige ladungsbasierte Speicher macht. Zur Optimierung der Schalteigenschaften werden zunehmend auch gemischte Metalloxide untersucht, die üblicherweise über Sputter-, PLD- oder ALD-Prozesse generiert werden. Abgesehen vom hohen Energieverbrauch dieser Hochtemperaturverfahren zeigt sich hierbei häufig eine ungleichmäßige Verteilung der verschiedenen Metallsorten und deren Oxidphasen in den Schichten. Wir stellen im Rahmen des Projekts "House-of-Oxides" eine alternative Route zu solchen technisch interessanten, multimetallischen Oxidschichten vor, die auf der thermisch oder photochemisch induzierten Umwandlung von organisch funktionalisierten, hexanuklearen Übergangsmetall-Oxo-Clustern als neutrale Kongenere von anionischen Lindqvist-artigen Polyoxometallaten basiert. Hierfür werden zunächst Zr6- und Ce6-Oxo-Cluster als Präkursoren mit verschiedenen 3d-, 4f-, Alkali- und/oder Erdalkalimetallen synthetisiert und auf diversen metallischen und nichtmetallischen Oberflächen deponiert. Durch die eindeutige Stöchiometrie der mehrkernigen Koordinationsverbindungen wird eine optimale Durchmischung der verschiedenen Metallsorten gewährleistet. Anschließend wird die Organik der Präkursoren durch eine thermische Behandlung oder Bestrahlung mit hochenergetischen Photonen entfernt, so dass phasenreine gemischte Metalloxidschichten entstehen. Sowohl bei der Synthese als auch bei der Oxidbildung handelt es sich um Niedertemperaturprozesse (bis maximal 300°C), die eine wesentlich verbesserte Energiebilanz gegenüber herkömmlichen Prozessen aufweisen, die üblicherweise in einem Temperaturfenster zwischen 800 und 1200°C ablaufen. Die Wahl von Zirkonium- und Cer-basierten Oxo-Cluster gegenüber dem technisch geläufigeren Hafnium und Titan wurde aufgrund der höheren Stabilität der Oxidphasen bei vergleichbaren Schalteigenschaften bzw. Preisvorteilen getroffen. Eine Übertragung des Verfahrens auf Komplexe mit diesen Metallen ist wegen deren chemischer Ähnlichkeit aber grundsätzlich möglich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen