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

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3 RESISTIVES SCHALTEN

3 RESISTIVES SCHALTEN Oxiden um das Bilden und Zerstören eines einzelnen metallischen Filaments handelt, da Messungen an Zellen unterschiedlichen Querschnitts stets den gleichen ON-Zustand zeigten [66]. Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (Conductive Atomic Force Microscopy - CAFM) zeigten Szot et al. die Bildung von Filamenten der Durchmesser- Größenordnung von 1 – 2 nm in SrTiO 3 [64, 67]. Dennoch muss an dieser Stelle erwähnt werden, dass das Phänomen des resistiven Schaltens durch Redoxprozesse von Anionen bisweilen noch nicht vollständig verstanden ist. Derzeit konzentriert sich die wissenschaftliche Forschung der resistiv schaltenden Übergangsmetall-Oxide darauf, eine Reihe offener Fragen zu klären. Es werden u. a. das mikroskopische Verständnis des Ionentransports, die genaue Morphologie der metallischen Filamente oder der Einfluss von Defekten auf den Schaltprozess studiert [52]. Im Fall II der Redoxprozesse von Kationen ist der Schaltmechanismus bereits gut verstanden. Die MIM-Struktur der Schaltzelle besteht hier aus einer inerten Metall- Bottom-Elektrode (z.B. Pt, W), einem Festkörper-Elektrolyt (z.B. GeSe, SiO 2 , WO 3 ) und einer leicht oxidierbaren Top-Elektrode (z.B. Ag, Cu) (siehe Abbildung 3.4) [68- 70]. Der MIM-Kondenstator befindet sich initial in einem hochohmigen Zustand (Abbildung 3.4 a). +U -U Ag / Cu Elektrolyt + Pt a) b) c) Abbildung 3.4: Resistives Schalten in Festkörper-Elektrolyten: a) Initial hochisolierende MIM- Zelle, b) Ausbildung eines metallischen Pfades durch das Festkörperelektrolyt durch Oxidation des Top-Elektroden-Materials, Ionendrift durch die angelegte Spannung und Reduktion der Ionen an der Bottom-Elektrode, c) Auflösen des metallischen Filaments durch Umkehrung der Spannungspolarität. 27

3 RESISTIVES SCHALTEN Um die Zelle in den ON-Zustand zu schalten wird an die oxidierbare Top-Elektrode ein positives Potential angelegt, während die Bottom-Elektrode auf Nullpotential liegt. Es bilden sich durch Oxidation der oberen Elektrode positiv geladene Kationen, die durch das herrschende Elektrische Feld in Richtung der Bottom-Elektrode driften. An der Bottom-Elektrode können die Kationen wieder reduziert werden, sodass sich dort ein metallischer Keim, bestehend aus dem Material der Top-Elektrode (Ag oder Cu), bildet. Initiiert durch den Keim wächst nun ein Metall-Filament von der Bottom-Elektrode zur Top-Elektrode, bis beide Elektroden miteinander kurzgeschlossen werden und das elektrische Feld innerhalb des MIM-Kondensators degradiert (siehe Abbildung 3.4 b). Die Zelle wurde eingeschaltet. Dabei ist der erste, initiale Einschaltprozess mit einem Formierungsprozess des Falls I gleichzusetzen, da hier stets höhere Spannungen (als beim anschließenden Schalten) benötigt werden, um den metallischen Pfad durch das Elektrolyt zu treiben und somit zunächst bevorzugt leitende Kanäle zu schaffen. Die Reaktionen an Top- und Bottom-Elektroden lassen sich für Silber wie folgt beschreiben [71]: Oxidation der Top-Elektrode : Ag → Ag + + e - Reduktion an der Bottom-Elektrode : Ag + + e - → Ag Die Reaktionsgleichungen für elektrolytische Prozesse wurden bereits 1832 von M. Faraday vorgestellt [72]. Sie fanden zunächst in elektrolytischen Lösungen Anwendung. Um das Filament aufzulösen und somit die Speicherzelle in den OFF-Zustand zu bringen, wird die Spannungspolarität umgekehrt (bipolares Schalten). Es finden, abhängig von den herrschenden Ströme und Spannungen, elektrochemische oder thermische Prozesse statt, die das Auflösen des metallischen Filaments bewirken (Abbildung 3.4 c). Im Fall der elektrochemischen Metallisierungs-Speicherzellen (EMS) wurde das filamentäre Wachstum anhand von Vertikal-Strukturen gezeigt [73]. Auch CAFM- Messungen und elektrische Untersuchungen wiesen stark auf das Wachstum von Einzel-Filamenten durch das Festkörperelektrolyt hin [74, 75]. Dennoch ist zu erwähnen, dass auch das Schalten in Festkörperelektrolyten nicht vollständig verstanden ist. Offene Fragen nach der mikroskopischen Struktur der metallischen Filamente, dem Einfluss thermischer Effekte, der genauen Elektrodenreaktion (insbesondere während des RESET) oder den Einflüssen von Dotierung und amorpher Struktur der Gläser müssen bei dem Phänomen des resistiven Schaltens in EMS geklärt werden [52]. 28