Kombinatorische Entwicklung memristiver Sensormaterialien

Ein Memristor (memory resistor) speichert seinen elektrischen Widerstand über eine bestimmte Zeit. Durch Anlegen eines definierten Potentials hat dieser einen konstanten hohen oder niedrigen elektrischen Widerstand und ermöglicht es einfach durch Potentialänderung zwischen diesen zu wechseln.Die Entwicklung künstlicher Synapsen, resistiver Direktzugriffsspeicher und -sensoren wird mittels solcher Bauelemente realisiert. Im Sensor ändert der Memristor seinen Widerstand aufgrund von Aufladungen an der Oberfläche die als Ergebnis der Wechselwirkung mit dem zu detektierenden Stoff entstehen. Kürzlich erschienene Studien betonen die Relevanz der Verwendung von halbleitenden oder isolierenden Oxiden von Ti, W und Nb oder Hf und Ta. Ti Oxid ist bisher sehr gut erforscht und bildet eine Art Referenzmaterial. Kombiniert mit W und Nb Oxiden eignen sich diese halbleitenden Materialien insbesondere für Anwendungen als Memristoren. Wegen ihrer geringen elektrischen Leitfähigkeiten weisen Hf und Ta Oxide die besten memristiven Eigenschaften auf. Die genannten Oxide können einfach und preiswert mittels Anodisierung produziert werden; also durch Anlegen einer positiven Spannung an das Metall im wässrigen Elektrolyten. Die Produktion von Memristoren durch Anodisierung ist ein noch kaum untersuchtes Thema welches jedoch großes Potential für die industrielle Anwendung besitzt. Der kombinatorische Ansatz erweist sich vielversprechend für die Suche nach neuen memristiven Materialien. Zum einen erlaubt die atomare Abscheidung in einer Vakuumkammer die simultane Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Materialkomposititionen bzw. legierungen als Dünnfilm auf einem Substrat (z.B. Si-Wafer), zum anderen kann diese Materialbibliothek durch Anodisieren in ihre jeweiligen Oxide überführt werden. Erhöhte memristive Eigenschaften können somit rasch und einfach auf einer Probe nachgewiesen werden, zudem ist nur einmaliges Anodisieren nötig um die Oxide zu erhalten. Metall-Isolator-Metall Strukturen (identisch mit dem Modell eines einfachen Kondensators) werden durch Strukturierung von Top Elektroden erhalten und als Funktion ihrer Zusammensetzung systematisch analysiert. Die elektrische Charakterisierung von Memristoren erfolgt mittels automatisierten Labor-Roboters für schnellen Durchsatz und ermittelt somit die bestmögliche Kombination von Oxiden für die gewünschten Eigenschaften. Atomare Auflösung und Analyse ermöglichen die Aufklärung von Schaltmechanismen in gemischten Oxiden. Die bestenmemristiven Oxidekönnen im Rahmen von Wirksamkeitsnachweisen in CO- oder Glukosesensoren eingesetzt werden. Das Projekt ist als Dissertation auf eine Dauer von 3 Jahren angelegt. Der kombinatorische Ansatz gemeinsam mit Hochdurchsatz-Analyse und der aktuellen Suche nach besseren memristiven Materialien verspricht einen wertvollen Beitrag für die Wissenschaft zu liefern.

Ein Memristor (memory resistor) speichert seinen elektrischen Widerstand über eine bestimmte Zeit. Durch Anlegen eines definierten Potentials hat dieser einen konstanten hohen oder niedrigen elektrischen Widerstand und ermöglicht es einfach durch Potentialänderung zwischen diesen zu wechseln. Die Entwicklung künstlicher Synapsen, resistiver Direktzugriffsspeicher und -sensoren wird mittels solcher Bauelemente realisiert. Im Sensor ändert der Memristor seinen Widerstand aufgrund von Aufladungen an der Oberfläche die als Ergebnis der Wechselwirkung mit dem zu detektierenden Stoff entstehen. Kürzlich erschienene Studien betonen die Relevanz der Verwendung von halbleitenden oder isolierenden Oxiden von Ti, W und Nb oder Hf und Ta. Ti Oxid ist bisher sehr gut erforscht und bildet eine Art Referenzmaterial. Kombiniert mit W und Nb Oxiden eignen sich diese halbleitenden Materialien insbesondere für Anwendungen als Memristoren. Wegen ihrer geringen elektrischen Leitfähigkeiten weisen Hf und Ta Oxide die besten memristiven Eigenschaften auf. Die genannten Oxide können einfach und preiswert mittels Anodisierung produziert werden; also durch Anlegen einer positiven Spannung an das Metall im wässrigen Elektrolyten. Die Produktion von Memristoren durch Anodisierung ist ein noch kaum untersuchtes Thema welches jedoch großes Potential für die industrielle Anwendung besitzt. Der kombinatorische Ansatz erweist sich vielversprechend für die Suche nach neuen memristiven Materialien. Zum einen erlaubt die atomare Abscheidung in einer Vakuumkammer die simultane Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Materialkomposititionen bzw. -legierungen als Dünnfilm auf einem Substrat (z.B. Si-Wafer), zum anderen kann diese Materialbibliothek durch Anodisieren in ihre jeweiligen Oxide überführt werden. Erhöhte memristive Eigenschaften können somit rasch und einfach auf einer Probe nachgewiesen werden, zudem ist nur einmaliges Anodisieren nötig um die Oxide zu erhalten. Metall-Isolator-Metall Strukturen (identisch mit dem Modell eines einfachen Kondensators) werden durch Strukturierung von Top Elektroden erhalten und als Funktion ihrer Zusammensetzung systematisch analysiert. Die elektrische Charakterisierung von Memristoren erfolgt mittels automatisierten Labor-Roboters für schnellen Durchsatz und ermittelt somit die bestmögliche Kombination von Oxiden für die gewünschten Eigenschaften. Atomare Auflösung und Analyse ermöglichen die Aufklärung von Schaltmechanismen in gemischten Oxiden. Die besten memristiven Oxide können im Rahmen von Wirksamkeitsnachweisen in CO- oder Glukosesensoren eingesetzt werden. Das Projekt ist als Dissertation auf eine Dauer von 3 Jahren angelegt. Der kombinatorische Ansatz gemeinsam mit Hochdurchsatz-Analyse und der aktuellen Suche nach besseren memristiven Materialien verspricht einen wertvollen Beitrag für die Wissenschaft zu liefern.