Forscherteam zeigt erstmals Echtzeit-Schaltvorgänge in Memristoren aus zweidimensionalen Materialien
Forschungsteam von AMO GmbH und RWTH Aachen demonstriert erstmals die Bildung und Auflösung leitfähiger Filamente in Memristoren auf Basis von 2D-Materialien
Aachen, Deutschland – Ein Forschungsteam der AMO GmbH, der RWTH Aachen University (Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente) und des Forschungszentrums Jülich hat bedeutende Fortschritte im Verständnis der Dynamik leitfähiger Filamente in memristiven Bauelementen auf Basis zweidimensionaler (2D) Materialien erzielt.
Ihre innovative Studie nutzt operando-Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), um diese Phänomene in Echtzeit während des Betriebs von Bauelementen mit 2D-Molybdändisulfid (MoS₂) als Schaltmaterial zu beobachten. Dies ermöglicht erstmals beispiellose Einblicke in das Verhalten dieser fortschrittlichen elektronischen Komponenten.
Memristoren gewinnen zunehmend an Bedeutung als Schlüsselelemente für neuromorphe Rechnerarchitekturen, da sie synaptische Funktionen nachbilden und eine effiziente Informationsverarbeitung ermöglichen. Die Forschung konzentriert sich auf laterale memristive Bauelemente, die aus mehrlagigem 2D-MoS₂ mit Palladium- (Pd) und Silber- (Ag) Elektroden bestehen. Durch die Kombination fortschrittlicher TEM-Bildgebungstechniken mit elektrischen Messungen konnten die Forscher in Echtzeit (operando) die Bildung und Migration von Ag-Filamenten unter angelegter Spannung sichtbar machen. Dies ermöglichte die Korrelation der Filament-Dynamik mit elektrischen Leistungskennwerten wie Schaltspannung und Reaktionszeit.
„Konventionelle Techniken wie leitfähige Rasterkraft- oder Rastertunnelmikroskopie erfassen nur Momentaufnahmen vor und nach Schaltvorgängen in Speicherelementen und verpassen die entscheidende Dynamik dazwischen. Operando-TEM hingegen erlaubt es uns, direkt zu beobachten, wie leitfähige Filamente sich bilden, entwickeln und auflösen – während das Bauelement in Betrieb ist. Das ist besonders wichtig für neuartige Bauelemente auf Basis zweidimensionaler Materialien, deren Filamentverhalten bislang kaum verstanden ist. Durch die Korrelation elektrischer Leistung mit den Bilddaten während des Betriebs gewinnen wir tiefgehende Einblicke in die Filament-Dynamik und Schaltverhalten und ebnen so den Weg für zuverlässigere und effizientere Speichertechnologien,“ erklärt Dr. Ke Ran, Hauptautorin des Artikels.
Die Ergebnisse zeigen, dass Größe und Verteilung der Ag-Filamente die Schaltleistung maßgeblich beeinflussen und geben Aufschluss über die von Zyklus zu Zyklus auftretenden Variabilitäten in memristiven Bauelementen. Die Studie beleuchtet nicht nur die mikroskopischen Ursprünge des resistiven Schaltens, sondern liefert auch Hinweise zur Optimierung von Bauelementarchitektur und Materialien für zukünftige Anwendungen in der künstlichen Intelligenz und Datenspeicherung.
„Der Beitrag von Dr. Ran als Expertin für Transmissionselektronenmikroskopie für die Bauelementforschung, ist von unschätzbarem Wert,“ sagt Prof. Max Lemme, Lehrstuhlinhaber für Elektronische Bauelemente und Direktor der AMO GmbH. „Die Herstellung von Nanobauelementen, deren elektrische Charakterisierung und die operando-Analyse erfordern ständiges Feedback, viele Iterationen und eine hochentwickelte Infrastruktur. Ich bin sehr stolz auf das gesamte Team, das dies möglich gemacht hat.“
Diese Forschung wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen von NEUROTEC II und NeuroSys gefördert. Z.W. und M.C.L. danken der Europäischen Union und Chips JU für die Unterstützung im Horizon-Europe-Projekt ENERGIZE.
Bibliografische Angaben
„Unraveling the dynamics of conductive filaments in MoS₂-based memristors by operando transmission electron microscopy“
Ke Ran, Janghyun Jo, Sofía Cruces, Zhenxing Wang, Rafal E. Dunin-Borkowski, Joachim Mayer & Max C. Lemme
Nature Communications 16, 7433 (2025)
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62592-2
