Transmission Electron Microscopy on Memristive Devices

Strobel, Julian ORCID

The aim of the research unit Memristive Devices for Neuronal Systems is to develop, manufacture and understand microelectronic devices that can change their electrical resistance repeatedly and reversibly dependent on their history of operation, commonly called memristors. In the framework of this research unit this work was conducted and encompasses the complete procedure of micro- and nanostructural analysis starting with the sample preparation for transmission electron microscopy (TEM), the methods of analysis and concludes with the results and their interpretation. Besides conceptualization, fabrication and functional probing, the analysis described in this study is essential for understanding the mode of action and validation of expected results. Out of the various concepts for memristors, the most promising ones pursued within this research unit are a combined aluminum oxide tunnel barrier and a niobium oxide Schottky barrier – in short called double barrier device – and a bimetallic nanoparticle based electrochemical metallization cell (EMC) approach. Besides all-electronic memristors other approaches utilize non-linear sensor devices – e.g. gas or pressure sensors – to combine memristors and sensors into memsensors. The devices allow a sensor to "acclimatize" to baseline stimuli but still react to changes from this baseline input to report deviations. First concepts for these devices based on highly porous CdTe or InP microstructures have been investigated for the crystallinity and chemical impurities under different growth conditions. The investigations led to a deeper understanding of the fabrication process and the mechanisms of memristive switching ultimately enabling improvement of device design and fabrication.

Das Ziel der Forschergruppe „Memristive Bauelemente für neuronale Systeme“ ist es, mikroelektronische Bauelemente zu entwickeln und produzieren, welche ihren elektrischen Widerstand wiederholt und reversibel ändern können; im Sprachgebrauch werden diese Bauelemente Memristoren genannt. Im Rahmen dieser Forschergruppe entstand diese Arbeit, welche das komplette Vorgehen der mikro- und nanostrutkurellen Analyse umreißt, von der Probenpräparation für das Transmissionelektronenmikroskop (TEM) über die analytischen Methoden bis hin zu den Ergebnisse und ihrer Interpretation. Neben der konzeptionellen Entwicklung, der Herstellung und der funktionellen Untersuchung der Memristoren sind die hier beschriebenen Forschungsergebnisse essentiell, um deren Wirkweise zu verstehen und die nach der Herstellung erwarteten Ergebnisse zu validieren. Von den vielen verschiedenen Konzepten, welche es für Memristoren gibt, stechen zwei als besonders vielversprechend hervor, welche in der Forschergruppe fokussiert untersucht wurden. Zum einen handelt es sich dabei um ein sogenanntes „Doppelbarrieren“-Bauelement, welches eine Aluminiumoxid-Tunnelbarriere mit einer Nioboxid-Schottkybarriere kombiniert, zum anderen ein auf bimetallischen Nanopartikeln basierte elektrochemische Metallisierungszelle. Neben den rein elektrischen Memristoren gibt es auch Ansätze, welche Sensoren und Memristoren miteinander zu verheiraten versuchen. Hierzu zählen zum Beispiel Gas- und Drucksensoren, welche sich an ein Grundniveau „gewöhnen“ können, und trotzdem auf Veränderungen von diesem Niveau anspringen. Erste Konzepte für diese Bauelemente bestehen aus hochporösen CdTe- oder InP-Mikrostrukturen und wurden auf ihre Kristallinität und Zusammensetzung unter verschiedenen Herstellungsbedingungen untersucht. Die Ergebnisse führten insgesamt zu einem tieferen Verständnis der Herstellungsprozesse und der zugrundeliegenden memristiven Schaltmechanismen. Ultimativ ebnet dies den Weg, sowohl Design als auch Herstellung der Bauelemente zu verbessern.

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Strobel, Julian: Transmission Electron Microscopy on Memristive Devices. 2019.

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