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Donnerstag, 22. Juni 2017, Ausgabe Nr. 25

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Elektronik

Schaltmechanismus aufgeklärt

Von Bettina Reckter | 27. April 2017 | Ausgabe 17

Memristive oder sogenannte ReRAM-Speicher gelten als die Speicherbauelemente der Zukunft. Sie sind extrem schnell und energiesparend – und die gespeicherte Information bleibt sogar nach einem Stromausfall erhalten.

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Foto: Forschungszentrum Jülich/Regine Panknin

Blick ins Photoemissionsmikroskop: Beim Schalten ändert sich die Sauerstoffkonzentration der aktiven Schicht.

Allerdings wusste man bisher nicht genau, wie sie funktionieren. Das haben Forscher aus Aachen, Jülich und Grenoble jetzt mithilfe eines Elektronenmikroskops gemeinsam entschlüsselt.

Grundsätzlich gelingt der Speichervorgang bei memristiven Zellen, weil ihr elektrischer Widerstand nicht konstant ist. Durch Anlegen einer Spannung lässt er sich verändern und wieder zurücksetzen. So stellt etwa ein niedriger Widerstand die logische „1“ und ein hoher die „0“ dar. Auf diese Weise kann praktisch jede Information in einem binären Code abgespeichert werden.

Um die gängigen Speichertypen zu verdrängen, ist die Technologie aber noch nicht ausgereift. Als Ursprung des Schaltens vermutet man chemische Reaktionen auf Nanoebene, konnte sie aber experimentell nicht beweisen. Und ohne genaue Kenntnis dieser Vorgänge sind die Speicher nicht optimal einsetzbar.

„Bisher dachte man, dass während des Schaltens Sauerstoffleerstellen in der Oxidschicht hin- und herwandern“, sagt Regina Dittmann vom Forschungszentrum Jülich (FZJ). „Doch dies konnte das Schalten in unseren Zellen nicht erklären.“ Deshalb untersuchten sie diese in einem Transmissionselektronenmikroskop. Dort kann man mit speziellen Verfahren auch geringe Änderungen der chemischen und elektronischen Struktur mit atomarer Auflösung betrachten.

„So haben wir entdeckt, dass sich während des Schaltens die gesamte Sauerstoffkonzentration in der sogenannten aktiven Schicht ändert“, so Dittmann. „Durch Anlegen elektrischer Spannung wird also eine Elektrokatalyse in Gang gesetzt, die für den ständigen Ein- und Ausbau von Sauerstoff in der Oxidschicht zwischen den beiden Elektroden sorgt.“ Zusammen mit der lange vermuteten Umverteilung der Leerstellen verändert sich dadurch der Widerstand des Bauelements.

Die Forscher hoffen, die Eigenschaften zukünftiger Bauelemente nun gezielter einstellen zu können. Dadurch könnten deutlich höhere Veränderungen des Widerstands erreicht werden, was die Integration der Zellen in komplexe Chips erleichtern soll.

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