Memristive Systems Based on Metal Oxide Nanowires

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2021
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Konstanz
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Dissertation
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Der digitale Wandel der heutigen Zeit führte zu einem enormen Schub bei der Entwicklung von Computerkomponenten auf Nanometerskala. Die Forderung nach neue Lösungen, die über den sogenannten von-Neumann-Flaschenhals hinausgehen, sind darüber hinaus zu einem wichtigen Schlüsselfaktor für die Verarbeitung von riesigen Datenmengen und für die Realisierung von künstlichen neuronalen Netzen geworden. Memristor (Kofferwort aus memory (Gedächtnis) und resistor (Widerstand))-Bauelemente gelten dabei als mögliche Kandidaten, um den von-Neumann-Flaschenhals zu überwinden, wodurch sich ein neues, großen Forschungsgebiet eröffnet hat. In dieser Arbeit werden zwei verschieden memristive Systeme basierend auf Metalloxid-Materialien demonstriert und wichtige synaptische Funktionen imitiert.
Um die verschiedenen, komplexen Systeme zu verstehen, werden zunächst die typischen memristiven Phänomene, d.h. unipolares, bipolares und komplementäres Schalten, diskutiert, wobei explizit auf die physikalischen Prozesse im Material und auf die grundlegenden, treibenden Kräfte eingegangen wird. Die memristiven Elemente dieser Arbeit basieren auf Metall/Isolator/Metall Architekturen, wobei TiO2 und Nb3O7(OH) als memristive Materialmodelle verwendet werden. Hydrothermal gewachsene TiO2-Nanodrähte stehen dabei vertikal auf einem Fluor dotierten Zinnoxid-Substrat und werden mit Hilfe eines selbst konstruierten Aufbaus auf ihre elektrischen Eigenschaften untersucht. Die Proben zeigen ein für memristive Systeme untypisches Strom-Spannungs-Verhalten, welches keiner der bekannten Mechanismen zugeordnet werden kann. Vielmehr wird es einer Kombination aus auf n-Typ Sauerstofffehlstellen wirkende elektrische Feld- und Temperaturgradienten zugeschrieben, welchen mit einem zunehmenden Konzentrationsgradienten konkurrieren. Zeitabhängige Zerfallsmessungen verschiedener Widerstandszustände bestätigen dabei das Modell der Anhäufung und Neuverteilung von Sauerstofffehlstellen und zeigen Lebensdauern der Zustände im Bereich von wenigen Sekunden bis zu 20 Minuten. Diese Erkenntnisse werden weiter genutzt, um den Übergang vom Kurz- zum Langzeitgedächtnis des menschlichen Gehirns zu imitieren, welches der Plastizität von biologischen Synapsen zugeschrieben wird. Weitere wichtige synaptische Funktionen, wie die Abhängigkeit der Plastizität von der Signalfrequenz, die paired-pulse facilitation (postsynaptische Antwort bei zweimaliger Stimulation der präsynapse), sowie das exzitatorische, postsynaptische Potential-Verhalten konnten in einem weiteren Schritt nachgeahmt werden, welches den Weg zur Herstellung von künstlichen Synapsen aus TiO2 Nanodrähten ebnet.
Schließlich wird das Verhalten der Nb3O7(OH)-Nanodrähte mit dem vorherigen Materialsystem verglichen. Nb3O7(OH)-Nanodrähte zeigen ein komplementäres Schaltverhalten, welches mit dem Ansatz der Sauerstoffmigration aus dem vorherigen System erklärbar ist. Mit Hilfe einer Sauerstoff-Plasmabehandlung, welches die Konzentration der Sauerstofffehlstellen verringert, kann dabei der Einfluss der Sauerstofffehlstellen verifiziert werden. Außerdem wird der bei komplementären Schaltsystemen üblicherweise auftretende destruktive Strom untersucht, bei dem der aktuelle Widerstandszustand beim Auslesen zerstört wird. Dabei wird gezeigt, dass bei geeigneter Wahl der Dauer und Amplitude der angelegten Spannung die Zeit für die Destruktion des Zustandes eingestellt werden kann. Besonders die Unterschiede der Nb3O7(OH)-Defektstruktur im Vergleich zu TiO2 führen jedoch zu einem etwas anderen Schaltverhalten, was den Einfluss von Kristalldefekten auf den memristiven Schaltmechanismus bekräftigt.

Insgesamt konnten wir das Verständnis von memristiven Schalteigenschaften erweitern, indem verschiedene Materialien und Konfigurationen verwendet wurden. Dies erlaubt es das Gebiet von memristiven System in Richtung künstliche Synapse voranzutreiben.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
TiO2, Memristor, Metal Oxide, Resistive Switching
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690EBENHOCH, Carola, 2021. Memristive Systems Based on Metal Oxide Nanowires [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz. Konstanz
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Prüfungsdatum der Dissertation
May 7, 2021
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Konstanz, Univ., Diss., 2021
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