Multiskalen-Analysen struktureller, elektronischer und chemischer Aspekte in dynamischen memristiven Netzwerken

• Antragsteller: Professor Dr. Lorenz Kienle; Dr.-Ing. Alexander Vahl
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568550697

Dieses Projekt konzentriert sich darauf, die Entwicklung und das Verständnis von Nanopartikelnetzwerken (NPNs) voranzutreiben, indem fortschrittliche Herstellung, elektrische Charakterisierung und innovative Analytik miteinander verknüpft werden. NPNs an der Perkolationsschwelle weisen resistives Schalten mit skalenfreien Eigenschaften und Lawinen-Schaltdynamik auf. Dieses ist mit langreichweitigen Verbindungen von Nanopartikeln und lokalisiertem Schalten über Nanolücken zwischen benachbarten Nanopartikeln verbunden. Derzeitige Ansätze für NPNs sind jedoch auf planare 2D-Anordnungen beschränkt, was die möglichen Verbindungswege einschränkt. Im Gegensatz dazu zeichnen sich biologische neuronale Netze durch eine 3D-Konnektivität aus, die Routing-Probleme effektiv löst und die Effizienz der Informationsverarbeitung erhöht. In diesem Projekt wird die Hypothese aufgestellt, dass 3D-Verbindungsschemata, unvollständige Vernetzung und Verzweigungen für die Verbesserung des Anwendungsbereichs von NPNs essentiell sind. Ziel ist die Entwicklung von 2,5D- und 3D-NPNs mit langzeitstabilen kollektiven Schalteigenschaften und nichtlinearen Eigenschaften für Reservoir-Computing. Innovative Verfahren zur Abscheidung von Nanopartikeln werden mit fortschrittlicher Elektronenmikroskopie kombiniert, um komplexe Netzwerke mit metallischen und dielektrischen Komponenten zu schaffen. Es wird erwartet, dass die dielektrische Komponente eine unvollständige Vernetzung und Verzweigung der selbst geordneten Verbindungspfade bewirkt und gleichzeitig eine kapazitive Nichtlinearität aufgrund des Ladeverhaltens der dielektrischen Nanopartikel hinzufügt. Die NPNs werden mit einer Reihe von Elektronenmikroskopietechniken charakterisiert, einschließlich atomar aufgelöster Röntgenstrahlung (EDX) und Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) sowie Multiskalen-Analysen wie in situ-Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Röntgenbeugung (XRD). Diese hochpräzise Methodik wird die Untersuchung der Struktur-Funktions-Beziehungen von NPNs mit unterschiedlichen Dimensionen ermöglichen und dazu beitragen, die mikroskopischen Ursachen von Widerstandsänderungen und Strompfadmodifikationen zu identifizieren. Durch die Integration von Elektronenmikroskopie und Nanopartikelsynthese zielt das Projekt darauf ab, NPNs zu entwerfen, die für memristives Schalten optimiert sind, und die Grenzen ihrer kollektiven Schaltfähigkeiten, Stabilität und nichtlinearen Eigenschaften zu erforschen. Zu den wichtigsten Forschungsfragen gehören die Auswirkungen von Verbindungsschemata auf das resistive Schalten, die Auswirkungen der Eigenschaften von Nanopartikeln auf die Netzwerktopologie und die Frage, wie diese NPNs für den Einsatz als physikalische Reservoirs für in materia Reservoir-Computing optimiert werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien, Neuseeland, Tschechische Republik
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Francesca Borghi, Ph.D.; Professor Simon Brown, Ph.D.; Daniil Nikitin, Ph.D.