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Entwicklung einer Nanotechnologie-Plattform für die ... - JuSER

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3 RESISTIVES SCHALTEN<br />

Um <strong>die</strong> Zelle in den ON-Zustand zu schalten wird an <strong>die</strong> oxi<strong>die</strong>rbare Top-Elektrode ein<br />

positives Potential angelegt, während <strong>die</strong> Bottom-Elektrode auf Nullpotential liegt. Es<br />

bilden sich durch Oxidation der oberen Elektrode positiv geladene Kationen, <strong>die</strong> durch<br />

das herrschende Elektrische Feld in Richtung der Bottom-Elektrode driften. An der<br />

Bottom-Elektrode können <strong>die</strong> Kationen wieder reduziert werden, sodass sich dort ein<br />

metallischer Keim, bestehend aus dem Material der Top-Elektrode (Ag oder Cu), bildet.<br />

Initiiert durch den Keim wächst nun ein Metall-Filament von der Bottom-Elektrode zur<br />

Top-Elektrode, bis beide Elektroden miteinander kurzgeschlossen werden und das<br />

elektrische Feld innerhalb des MIM-Kondensators degra<strong>die</strong>rt (siehe Abbildung 3.4 b).<br />

Die Zelle wurde eingeschaltet. Dabei ist der erste, initiale Einschaltprozess mit einem<br />

Formierungsprozess des Falls I gleichzusetzen, da hier stets höhere Spannungen (als<br />

beim anschließenden Schalten) benötigt werden, um den metallischen Pfad durch das<br />

Elektrolyt zu treiben und somit zunächst bevorzugt leitende Kanäle zu schaffen. Die<br />

Reaktionen an Top- und Bottom-Elektroden lassen sich <strong>für</strong> Silber wie folgt beschreiben<br />

[71]:<br />

Oxidation der Top-Elektrode : Ag → Ag + + e -<br />

Reduktion an der Bottom-Elektrode : Ag + + e - → Ag<br />

Die Reaktionsgleichungen <strong>für</strong> elektrolytische Prozesse wurden bereits 1832 von M.<br />

Faraday vorgestellt [72]. Sie fanden zunächst in elektrolytischen Lösungen Anwendung.<br />

Um das Filament aufzulösen und somit <strong>die</strong> Speicherzelle in den OFF-Zustand zu<br />

bringen, wird <strong>die</strong> Spannungspolarität umgekehrt (bipolares Schalten). Es finden,<br />

abhängig von den herrschenden Ströme und Spannungen, elektrochemische oder<br />

thermische Prozesse statt, <strong>die</strong> das Auflösen des metallischen Filaments bewirken<br />

(Abbildung 3.4 c).<br />

Im Fall der elektrochemischen Metallisierungs-Speicherzellen (EMS) wurde das<br />

filamentäre Wachstum anhand von Vertikal-Strukturen gezeigt [73]. Auch CAFM-<br />

Messungen und elektrische Untersuchungen wiesen stark auf das Wachstum von<br />

Einzel-Filamenten durch das Festkörperelektrolyt hin [74, 75].<br />

Dennoch ist zu erwähnen, dass auch das Schalten in Festkörperelektrolyten nicht<br />

vollständig verstanden ist. Offene Fragen nach der mikroskopischen Struktur der<br />

metallischen Filamente, dem Einfluss thermischer Effekte, der genauen<br />

Elektrodenreaktion (insbesondere während des RESET) oder den Einflüssen von<br />

Dotierung und amorpher Struktur der Gläser müssen bei dem Phänomen des resistiven<br />

Schaltens in EMS geklärt werden [52].<br />

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