Leitungs- und Schaltmechanismen in Bornitrid-Schwellenwert-Memristoren mit Nickelelektroden

Forscher der RWTH Aachen, der AMO GmbH und des Forschungszentrums Jülich haben eine detaillierte Untersuchung von hBN-basierten Schwellenwert-Memristoren mit Nickelelektroden durchgeführt. Nach der Analyse von temperaturabhängigen Transportmessungen und hochauflösenden TEM-Bildern schlagen sie die Bildung und das Zurückziehen von Nickelfilamenten entlang von Bordefekten in der h-BN-Schicht als resistiven Schaltmechanismus vor. Die Studie wurde in Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Memristoren – der Name ist eine Kurzform von „memory resistor“ (Speicherwiderstand) – sind vielversprechende Bausteine für nichtflüchtige Speicher der nächsten Generation und bioinspirierte Computersysteme. Die besondere Eigenschaft dieser passiven Schaltkreiselemente ist, dass ihr Widerstand durch Anlegen einer externen Spannung „programmiert“ werden kann (entweder flüchtig oder nichtflüchtig). Memristive Phänomene wurden in verschiedenen Materialien wie Metalloxiden, Chalkogeniden, amorphem Silizium und zweidimensionalen (2D) Materialien beobachtet, aber die Suche nach einer Materialplattform, die die Memristor-Technologie vom Labor in die Produktion bringen könnte, ist noch offen.

In letzter Zeit hat sich hexagonales Bornitrid (hBN) zu einem beliebten Material für die Erforschung von Widerstandsschaltungen entwickelt, da es mehrere vorteilhafte Eigenschaften wie eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Ebene, thermische und chemische Stabilität, mechanische Flexibilität und eine große Bandlücke (ca. 6 eV) bietet, die ein großes Schaltfenster ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht die geschichtete van-der-Waals-Struktur die Integration auf beliebigen Substraten und unversehrten Grenzflächen.

Forscherinnen und Forscher der RWTH Aachen, der AMO GmbH und des Forschungszentrums Jülich haben hBN-basierte Schwellenwert-Memristoren mit Nickelelektroden eingehend untersucht. Dabei zeigte sich, dass diese Bauelemente, die auf CMOS-kompatiblen Materialien basieren, gut mit modernen Bauelementen vergleichbar sind.  Die Bauelemente weisen ein einstellbares Arbeitsfenster, eine geringe Zyklus-zu-Zyklus-Variabilität und ein großes On/Off-Verhältnis auf.

Einer der interessantesten Aspekte der Arbeit ist die genaue Untersuchung des Stromleitungsmechanismus in ihren Schwellenwert-Memristoren. Durch die Durchführung von temperaturabhängigen Strom-Spannungs-Messungen sowohl im hoch- als auch im niederohmigen Zustand und durch den Vergleich der gemessenen Daten mit verschiedenen theoretischen Modellen konnten die Forscher*innen auf die entscheidende Rolle hinweisen, die Defekte im h-BN für das Verständnis des Verhaltens der Bauelemente spielen. Ihre Messungen deuten darauf hin, dass die Leitung im hochohmigen Zustand durch defektgestütztes Hopping durch das h-BN erfolgt, während das resistive Schalten durch die Bildung und das Zurückziehen von Nickelfäden entlang von Borfehlern im h-BN verstanden werden kann – eine Schlussfolgerung, die durch die hochauflösende Analyse der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) unterstützt wird.

Die Ergebnisse wurden in Advanced Functional Materials veröffentlicht. Diese Forschungsarbeit wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Projekte NEUROTEC, NEUROTEC 2 und NeuroSys finanziell unterstützt.

 

Bibliographische Informationen:

„Resistive Switching and Current Conduction Mechanisms in Hexagonal Boron Nitride Threshold Memristors with Nickel Electrodes“, Lukas Völkel, Dennis Braun, Melkamu Belete, Satender Kataria, Thorsten Wahlbrink, Ke Ran, Kevin Kistermann, Joachim Mayer, Stephan Menzel, Alwin Daus, Max C. Lemme, Adv. Funct. Mater. 2023, 2300428.
 https://doi.org/10.1002/adfm.202300428