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Memristoreffekt in atomar dünnen Materialien : Ausgabe 05/2018, 15.03.2018

Atomristor – schnell und zuverlässig

Um neuromorphische Computerfunktionen der Realität näher zu bringen, arbeiten Forscher an der Entwicklung von Speicherwiderständen – oder Memristoren – die Widerstände in einer Schaltung sind, die sich an deren Zustand «erinnern», auch wenn die Versorgungsspannung ausfällt.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: University of Texas-Austin

Die meisten der heutigen Computer benutzen RAM, die schnell funktionieren aber ihre Daten bei Stromausfall verlieren. Flashspeicher dagegen speichern ihre Daten auch bei Stromausfall, aber sie funktionieren langsamer. Memristoren könnten beide Vorteile vereinen: schnell und zuverlässig.

«Zu einem früheren Zeitpunkt gab es eine Forschungsarbeit von der Mark-Hersam-Gruppe über den Memristoreffekt in einlagigem MoS2, und zwar in einer planaren Konfiguration», sagte der ausserordentliche Professor Deji Akinwande von der University of Texas at Austin. «Diese frühere Arbeit inspirierte uns, vertikale Sandwichstrukturen für Memristoren zu berücksichtigen, und zwar aufgrund der erheblich höheren Dichte und Skalierbarkeit.» Und weiter: «Aber jeder, den wir deswegen konsultierten, bezweifelte, dass so ein Effekt in einer vertikalen Konfiguration möglich sein könnte», so Akinwande, «denn der Abstand zwischen den Metallelektroden wäre dann unter 1 nm und der Leckstrom wird das Bauteil zerstören.»

Forschungsarbeit zeigt ein extrem dünnes Speicherelement

In einer neuen Forschungsarbeit, die in «Nano Letters» mit dem Titel «Atomristor: Nonvolatile Resistance Switching in Atomic Sheets of Transition Metal Dichalcogenides» erschienen ist, beschreiben Akinwande und seine Kollegen die Entdeckung eines nichtflüchtigen Speichereffekts in atomar dünnen 2D-Materialien, wie MoS2. Dieser Effekt ähnelt den Memristoren oder RRAMs in Metalloxidmaterialien. Das geschilderte Experiment wird durch erste vorläufige Berechnungen unterstützt.

Diese Elemente kann man Atomristoren nennen, denn es handelt sich im Grunde genommen um Memristoreffekte in atomar dünnen Nanomaterialien oder Blättern. Da MoS2 und ähnliche Materialien kristallin sind und über eine gute Elektroniksperre verfügen, die einen Stromfluss verhindert, kann man mit diesen Materialien schon funktionierende Atomristoren realisieren.

«Es war eine herkömmliche Annahme, dass man Speicherschichten nicht weiter als ungefähr bis 5 nm herunterskalieren könnte,» sagte Akinwande. «Unsere Arbeit kippt dieses Denken um und demonstriert, dass selbst Materialien so dünn wie 0,7 nm auch einen Speichereffekt aufweisen können.» Diese neue Forschungsarbeit demonstriert das dünnste Speicherelement, wobei es so aussieht, als ob dieser universelle Effekt in allen halbleitenden 2D-Monoschichten vorhanden ist.

Die Wissenschaftler erklären, dass die unerwartete Entdeckung der nichtflüchtigen Widerstandsumschaltung (NVRS) in einlagigen Übergangsmetalldichalcogeniden (MoS2, MoSe2, WS2, WSe2) sehr wahrscheinlich auf die zugrunde liegende geschichtete kristalline Struktur zurückzuführen ist, die «scharfe» Interfaces und reine Tunnelbarrieren mit sich bringt. Verhindert werden dadurch unverhältnismässig hohe Leckagen und es bringt zudem stabile Phänomene mit sich, wodurch sich die NVRS in vorhandenen Speicher- und Computerapplikationen verwenden lassen.

Trotzdem bleiben fundamentale Fragen über die Mechanismen bestehen

Akinwande: «Wir entdeckten ausserdem eine total neue Applikation. Es handelt sich dabei um das nichtflüchtige Schalten von HF-Kommunikationssystemen. Dieser Bereich breitet sich rasch aus, weil die Wireless-Technologie ein enormes Wachstum verzeichnet und damit auch Schalter mit sehr geringem Leistungsbedarf erfordert. Unsere Elemente verbrauchen keine statische Leistung, ein wichtiger Faktor für die Batterielaufzeiten in mobilen Kommunikationssystemen.»

Ohne den Erfolg des Forscherteams schmälern zu wollen: Es bleiben fundamentale Fragen über die NVRS-Mechanismen in einlagigen Atomblättern bestehen. «Vom wissenschaftlichen Standpunkt aus gesehen ist die grösste Herausforderung das detaillierte Wissen der entsprechenden Physik. Von einer Anwendung mit höchster Leistung aus gesehen ist die grösste Herausforderung die Verbesserung der Ausdauer von heute etwa 100 Zyklen auf über 1 Mio.», so Akinwande. 

Infoservice

University of Texas-Austin
www.utexas.edu



Darstellung eines durch ein elektrisches Feld ausgelösten Memristoreffektes in einer Monoschicht aus MoS2