Elektrochemische Materialien
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Elektrochemische Materialien Untersuchung der Defektchemieeinflüsse auf die memristiven Eigenschaften von SrTiO3 Mirjam Wäfler Gymnasium Thun Seefeld Thun Betreuerin: Eva Sediva ETH Zürich Departement Materialwissenschaft Inhaltsverzeichnis ZUSAMMENFASSUNG .........................................................................................................................................................1 EINLEITUNG ..........................................................................................................................................................................1 AUFBAU ..................................................................................................................................................................................................... 3 METHODE...............................................................................................................................................................................3 VORGEHEN ................................................................................................................................................................................................ 3 Dünnschicht herstellen ................................................................................................................................................................3 Charakterisierung durch Röntgen...........................................................................................................................................4 Reinraum ...........................................................................................................................................................................................5 Messungen.........................................................................................................................................................................................5 RESULTATE ...........................................................................................................................................................................6 DISKUSSION...........................................................................................................................................................................7 DANK........................................................................................................................................................................................7 QUELLEN.................................................................................................................................................................................8 LITERATURVERZEICHNIS ........................................................................................................................................................................ 8 ABBILDUNGSVERZEICHNIS ..................................................................................................................................................................... 8 Zusammenfassung Ein Memristor (elektrischer Schalter) basierend auf Strontium Titanat wurde fabriziert.Das Ziel von einem Memristorspeicher ist, die folgenden drei Kriterien zu erfüllen: Klein zu sein, Informationen lange zu behalten und zusätzlich schnell zwischen einem kleinen und grossen Widerstand zu schalten. Ein Memristor hat jeweils ein Substrat, Metall, Oxid und ein weiteres Metall. Die Aufgabe der Forscher ist es nun, die perfekte Kombination dieser zu suchen, um den Kriterien möglichst einfach und billig gerecht zu werden. Hierfür müssen verschiedene Versuche und Messungen betätigt werden. Es wird nur über den Bau und den Vergleich zweier verschiedener Materialgefüge detaillierteres geschildert. Einleitung In meinem Bericht behandle ich den Bau eines Memristors. Er gilt als passives elektrisches Bauelement. Dies bedeutet, dass er physikalisch nicht weiter unterteilt werden kann, ohne dessen Funktion zu verlieren, also ist er der kleinste Bestandteil einer elektrischen Schaltung. Der Name ergibt sich aus den zwei englischen Wörtern „memory“ für Speicher und „resistor“ für elektrischen Widerstand. Dafür muss erst eine Dünnschicht hergestellt werden. Die Dünnschichttechnik beschäftigt sich mit der Herstellung und Bearbeitung von dünnen Schichten unterschiedlicher Materialien, wie metallische, dielektrische und halbleitende Werkstoffe (Wikipedia, 2015). Andererseits erfolgt ein Vergleich zwischen zwei Memristoren mit verschiedenen Substraten, um schliesslich ein Fazit ziehen zu können. Man weiss nicht genau, wie die Materialdefekte gut angewendet werden können. Es werden weiterhin Forschungen betätigt, um herauszufinden, welches Oxid, Substrat und Metall die beste Kombination ergibt. So fragt sich nun, ob und was für Unterschiede herauskommen, wenn das Substrat und damit das Kristallgefüge verändert wird. 1 Abbildung 1 Grafische Darstellung einer idealen Schaltung mit gut sichtbarem Schaltmoment. R = V/I (Widerstand (in Ohm) = elektrische Spannung (in Volt) / Stärke des Stroms (in Amper)) Wenn das R gross ist, entspricht das einem „0“ Zustand der Information. Ein kleiner Widerstand kennzeichnet eine „1“. Zwischen diesen beiden Zahlen findet jeweils ein Schaltmoment statt, wie Sie auf der Abbildung sehen können. Zusätzlich wird der kleine Widerstand ersichtlich, an der Stelle, an welcher der Pfeil nach unten geht und an der Geraden der grosse Widerstand. Je nachdem wie dieses Gebilde aussieht, kann der Widerstand respektive der Unterschied zwischen diesen noch variieren (wenn der Winkel sich verändert). Als Ziel gilt, dass folgende drei Kriterien erreicht werden: 1. Schnelle Änderung vom Informationszustand 2. Information soll bleiben nonvolatile 3. Der Massstab soll klein sein Als Problem zeigt sich hier der Widerspruch zwischen Punkt eins und zwei, welcher auch Voltage-time-dilemma genannt wird. Die Bedingung, einer Hochenergie für die Speicherung von Daten mit niedrigen Impulsen kann mit der Forderung einer niedrigen Energiebarriere für das schnelle Schalten unter einer bescheidenen Programmierspannung nicht vereinbart werden. 2 Aufbau Zuunterst befindet sich ein Substrat. In unserem Falle einmal LaAlO3 und einmal MgO. Wir haben zwei verschiedene Substrate gewählt, um schliesslich einen Vergleich zwischen den unterschiedlichen Mikrostrukturen vom Schaltmaterial machen zu können. Dann folgt LaNiO3, also ein Metall. SrTiO3 dient als Oxidschicht und befindet sich zwischen dem vorhin genannten Metall und Platin. Abbildung 2 Aufbau eines Memristors. Das LaAlO3 ist besitzt eine Perowskitstruktur, dies erbringt ein epitaktisches Wachstum vom SrTiO3. Das MgO ist kubisch und hat eine andere Struktur als die benützten Metalle und das Oxid. Somit wachsen diese polykristallin darauf, sodass ein Defektausgleich durch Korngrenzen angestrebt wird. Elektronen können sich in diesen Defekten, also quasi Löchern der Struktur, besser und schneller bewegen. Dies wäre ein Vorteil, jedoch ist man sich noch nicht sicher, ob es dafür bedeutet, dass die Speicherfunktion umso schlechter funktioniert. Unser Oxid, SrTiO3 ist dielektrisch und hat somit die Eigenschaft eines Isolators. Wir nehmen Platin, weil es zu den Edelmetallen gehört. Es oxidiert kaum, also findet beinahe keine Reaktion statt und verfälscht unsere Messungen damit nicht. Die Oxidschicht ist notwendig, aufgrund des Schalteffekts. So dient es also als Schaltmaterial. Methode Vorgehen Dünnschicht herstellen Für die Dünnschichtherstellung wurde die Pulsed Laser Deposition Methode angewendet. Das Ziel ist, mit Hilfe von einem Laser ausgewählten Oxide als Targets, bei uns LaNiO3 und SrTiO3, eine Dünnschicht zu erstellen. Durch den Beschuss mit gepulster Laserstrahlung werden Teile von einer Oberfläche eines Oxides abgetragen welche die Substrate dann auffangen. So entsteht nach und nach die Dünnschicht der Oxide. 1. Substrate (MgO und LaAlO3) werden gebrochen, sodass man eine kleinere Fläche hat 2. Die Substrate werden mit Alkohol (Aceton und Isopropanol) gereinigt und dann mit Stickstoff getrocknet 3. Die Luft wird bis auf den Normaldruck von 1 Bar in die Pulsed Laser Deposition Kammer gelassen Venting 3 4. Den Substrathalter herausnehmen und die Wärmefläche mit Silberpaste beschmieren (damit das Substrat gut hält) und diese dann bei 60° Heizen 5. Substrathalter wieder reingeben 6. Vakuum bis auf 2 x 10-6 mbar einfliessen lassen (dies dauert etwa 2 Stunden). Dieser Schritt ist essentiell, damit kein verunreinigter Sauerstoff da ist und somit keine anderen Gase mitreagieren und zu Verfälschungen führen. 7. Sauerstoff reinlasen bis auf 3x 10-2 mbar Durchfluss 8. Heizen bis 500° für LaNiO3 9. Mit Laser das Substrat mit der Laserenergie von 50mJ beschiessen 45 Minuten 10. Heizen bis 650° für SrTiO3 11. Mit Laser das Substrat mit der Laserenergie von 55mJ beschiessen (2h, wobei nach einer Stunde der Laserstrahlenring umgestellt werden sollte) 12. Kühlen bis auf Raumtemperatur Schritt 8 und 10 werden durchgeführt, da sich die Atome bei mehr Wärme besser ausrichten können. Bei Schritt 9 und 11 wird das Target bewegt, damit nicht nur auf einen Punkt geschossen wird und ein Loch entsteht. Charakterisierung durch Röntgen Um nun herauszufinden, ob sich das Material in der richtigen Strukturphase befindet wird die polykristalline Dünnschicht mit Röntgenstrahlen untersucht 1. Substrat im Halter einrichten 2. Die Maschine dreht die Proben in einem Winkel von 30° bis 70° damit sie verschieden durchschossen wird. 3. Spektrum auslesen 4 Reinraum Um auf unserer Probe die Platinelektroden zu fabrizieren, müssen wir in den Reinraum. Dieser Raum soll sauber von Partikeln und Dreck sein. Deshalb muss man spezielle Schuhe, ein Ganzkörperanzug und Handschuhe tragen. 1. Die Proben mit Sauerstoffplasma reinigen 2. Probe auf dem Halter des e-beam Evaporation fixieren 3. Maschine laufen lassen, der Elektronenstrahl wird durch ein Magnetfeld abgelenkt. Er trifft nun auf das Platin, welches sich evaporiert und dann auf der Probe landet. Messungen Nun wollen wir messen, wie gut unser Material Strom leitet und ob das Schaltverhalten von Memristoren stattfindet. 1. Die untere Elektrode wird durch einen Riss in der Dünnschicht kontaktiert. Dieser Riss wird mit Silberpaste geschlossen. So hat man einen Kontakt zum Metall erzeugt. 2. An die Spannungsquelle schliessen 3. Messen 4. Spannungs-Strom Kurven betrachten 5. Vergleich der zwei Memristoren 5 Resultate Selbstgemachter Memristor mit MgO als Substrat Selbstgemachter Memristor mit LaAlO3 als Substrat Abbildung 3 + 4 oben; Abbildung 5 + 6 unten Diagramm der elektrischen Leitfähigkeit von der Probe mit dem Substrat MgO Diagramm der elektrischen Leitfähigkeit von der Probe mit dem Substrat LaAlO3 6 Diskussion Die Herstellung unserer Memristoren verlief sowohl bei MgO, als auch mit dem Substrat LaAlO3 einwandfrei. Auf den Abbildungen 1 und 2 sind die fertig hergestellten Memristorproben ersichtlich. Die Punkte stellen die Elektroden dar, da dort die Platinschicht vorhanden ist. Die Messung der elektrischen Leitfähigkeit ergab die Abbildung 5 und 6. Der Schaltmoment wird darauf gut erkennbar. Die Kurven unserer zwei Proben sehen sehr ähnlich aus. Leider sind die Resultate nicht wirklich zufriedenstellend, da jede Messung ein ziemlich anderes Bild ergeben hat, sodass die Streuung von Elektrode zu Elektrode zu gross war. Um die Schlussfolgerungen wissenschaftlich zu erklären muss man mehre Methoden testen, damit möglichst viele Referenzen vorhanden sind und so viele Vergleiche gezogen werden können. Zudem müssen verschiedene Zusammensetzungen analysiert werden, um wirklich davon auszugehen, dass ein bestimmter Stoff diese oder jene Funktion in der Probe aufweist. Optimierungsideen wären auch hier nötig. Weiter ist die Struktur, welche entsteht von grosser Bedeutung, da die verschiedenen Substrate auf die verschiedenen Metalle anders wachsen. Als Fazit kann also gezogen werden, dass das Gebiet noch zu wenig erforscht ist. Viele erwartete Charakterzüge oder Resultate kommen nicht vor oder in einer anderen Art und Weise. So ist das Ganze noch sehr unvorhersehbar. Aufgrund der Wissenslücke und der Unberechenbarkeit kann der Memristor so noch nicht in die Öffentlichkeit. Es müssen vorher noch eine Menge verschiedener Proben erstellt und Messungen betätigt werden, um etwas mehr auszusagen oder schliesslich sogar ein gut funktionierender Memristor auf den Markt zu bringen. Dank Ich bedanke mich herzlich bei allen, die mich in irgendeiner Art unterstützt haben bei dieser Arbeit. Vor allem möchte ich hier die Hochschule ETH Zürich und meine Betreuerin Eva Sediva erwähnen. Eva hat mich in der ganzen Woche begleitet und mir einen Einblick in ein sehr faszinierendes, komplexes und aktuelles Thema ermöglicht. Ich konnte vieles selber ausprobieren und eine Menge aus dieser Woche mitnehmen. Es ist nicht selbstverständlich, dass sich jemand diese Zeit trotz gleichzeitiger Arbeit und Stress nimmt, deshalb bin ich sehr dankbar dafür. Auch dem Verband Schweizer Jugend forscht möchte ich meinen Dank aussprechen. Sie haben diese Woche toll organisiert. Es war ein Privileg, daran teilgenommen zu haben. 7 Quellen Literaturverzeichnis Wikipedia (2015). Dünnschichttechnik. Zugriff am 8.2.2016 unter https://de.wikipedia.org/wiki/Dünnschichttechnik Wikipedia (2015). Memristor. Zugriff am 8.2.2016 unter https://de.wikipedia.org/wiki/Memristor Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Gefunden am 13.2.2016 unter: https://www.google.ch/search?q=switching+moment+memristor&newwindow=1&sou rce=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwiG6sqlpvXKAhXJWhoKHVL5BuAQ_AUIBygB& biw=1099&bih=689#imgrc=a3p3Z8GqefKlRM%3A Abbildung 2 Erstellt von Mirjam Wäfler Abbildung 3 + 4 Aufnahme gemacht von Eva Sediva & Mirjam Wäfler Abbildung 5 + 6 Diagramm erstellt mit Keithley 2601B 8
