Resistive Schaltmaterialien – einschließlich resistiver Oxide - erlangen zunehmende wissenschaftliche und industrielle Bedeutung aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten in nichtflüchtigen Datenspeichern der nächsten Generation und als neuartige Logikelemente. Obwohl bereits zahlreiche Schaltmaterialien ihren Weg in die Anwendung gefunden haben, sind die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen nicht vollständig verstanden. Während die elektronischen Eigenschaften, wie z.B. die Antwort auf externe elektrische Anregung, in der Literatur gut dokumentiert sind, gibt es bisher nur wenige experimentelle Studien zu den mikroskopischen und chemischen Ursachen des Schaltvorgangs. Ziel dieser Arbeit ist esmittels chemisch-sensitiver und ortsaufgelöster Röntgen-Photoelektronenemissionsmikroskopie (XPEEM) ein tieferes physikalisches Verständnis der elektronischen und chemischen Prozesse während des Schaltvorgangs zu gewinnen. XPEEMwird verwendet, um chemische und elektronische Veränderungen zwischen EIN und AUS Zuständen an dysfunktionalen, delaminerten SrTiO3 Zellen zu identifizieren. Für den niederohmigen (AN) Zustand werden sub-mikrometer große, filamentäre Bereiche mit beträchtlichen Anteilen an dreiwertigem Titan beobachtet. Vergleichbare Strukturen und Zustände lassen sich für den hochohmigen (AUS) Zustand nicht finden. Die experimentellen chemischen und räumlichen Signaturen deuten in Übereinstimmung mit dem Valence Change Model auf eine Anreicherung bzw. Verarmung von Sauerstoffleerstellen am Metall/Oxid Übergang hin. Die weitere Untersuchung der filamentären Bereiche zeigt, dass die oftmals makroskopisch homogen angenommen Strukturen aus einer Matrix mit nanoskaligen Einschlüssen bestehen. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zum Verständnis des Schaltmechanismus bei, welcher wesentlich für die Simulation von Bauteilen und für die Identifizierung von Skalierungslimits ist. Über die Charakterisierung der statischen EIN und AUS Zustände dysfunktionaler Zellen hinaus liegt der Schwerpunkt der Arbeit darin, zu untersuchen, ob und wie der hochoberflächensensitive XPEEMAnsatz verbessert werden kann, um die erwarteten chemischen Veränderungen auch während des Betriebs eines Bauteils zu beobachten („operando“). Mit dem Ziel die hohe Oberflächensensitivtät photoemissions-basierter Experimente zu überwinden, werden verschiedene experimentelle Ansätze und Bauteilgeometrien diskutiert und ausgewertet. Ultradünne Graphen Top-Elektroden sind für Elektronen hinreichend transparent und erlauben in Kombination mit Absorptionsspektroskopie die chemisch-sensitive Abbildung aktiver Grenzflächen in Metall-Isolator-Metall Strukturen. Basierend auf den erarbeiteten Strategien wurden neue funktionale Speicherzellen entwickelt. Ein PEEM zum Einsatz an einem Synchrotron wurde entsprechend der neuenMethodik technisch aufgerüstet. Mit dem verbesserten Aufbau ist es erstmals gelungen, ein Bauteil während des Betriebs gleichzeitig chemisch und elektronisch ortsaufgelöst zu charakterisieren. Insbesondere konnte eine Verknüpfung der elektrischen Strom-Spannungskennlinie (I-V) und dem vorherrschenden mikroskopischen Zustand hergestellt werden. Variationen zwischen verschieden Zellen können durch dieMessung an einer einzelnen Zelle mit der neuenMethodik umgangen werden. Die in dieser Arbeit dokumentierten Verbesserungen der XPEEM Methodik ermöglichen die operando Charakterisierung funktionaler Bauteile. Dies ist ein bedeutender Schritt in Richtung des langfristigen Ziels der ortsaufgelösten Visualisierung ultraschneller Schaltvorgänge.
Christoph Schmitz (Mon,) studied this question.