Entwicklung einer Nanotechnologie-Plattform für die ... - JuSER
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3 RESISTIVES SCHALTEN<br />
Um <strong>die</strong> Zelle in den ON-Zustand zu schalten wird an <strong>die</strong> oxi<strong>die</strong>rbare Top-Elektrode ein<br />
positives Potential angelegt, während <strong>die</strong> Bottom-Elektrode auf Nullpotential liegt. Es<br />
bilden sich durch Oxidation der oberen Elektrode positiv geladene Kationen, <strong>die</strong> durch<br />
das herrschende Elektrische Feld in Richtung der Bottom-Elektrode driften. An der<br />
Bottom-Elektrode können <strong>die</strong> Kationen wieder reduziert werden, sodass sich dort ein<br />
metallischer Keim, bestehend aus dem Material der Top-Elektrode (Ag oder Cu), bildet.<br />
Initiiert durch den Keim wächst nun ein Metall-Filament von der Bottom-Elektrode zur<br />
Top-Elektrode, bis beide Elektroden miteinander kurzgeschlossen werden und das<br />
elektrische Feld innerhalb des MIM-Kondensators degra<strong>die</strong>rt (siehe Abbildung 3.4 b).<br />
Die Zelle wurde eingeschaltet. Dabei ist der erste, initiale Einschaltprozess mit einem<br />
Formierungsprozess des Falls I gleichzusetzen, da hier stets höhere Spannungen (als<br />
beim anschließenden Schalten) benötigt werden, um den metallischen Pfad durch das<br />
Elektrolyt zu treiben und somit zunächst bevorzugt leitende Kanäle zu schaffen. Die<br />
Reaktionen an Top- und Bottom-Elektroden lassen sich <strong>für</strong> Silber wie folgt beschreiben<br />
[71]:<br />
Oxidation der Top-Elektrode : Ag → Ag + + e -<br />
Reduktion an der Bottom-Elektrode : Ag + + e - → Ag<br />
Die Reaktionsgleichungen <strong>für</strong> elektrolytische Prozesse wurden bereits 1832 von M.<br />
Faraday vorgestellt [72]. Sie fanden zunächst in elektrolytischen Lösungen Anwendung.<br />
Um das Filament aufzulösen und somit <strong>die</strong> Speicherzelle in den OFF-Zustand zu<br />
bringen, wird <strong>die</strong> Spannungspolarität umgekehrt (bipolares Schalten). Es finden,<br />
abhängig von den herrschenden Ströme und Spannungen, elektrochemische oder<br />
thermische Prozesse statt, <strong>die</strong> das Auflösen des metallischen Filaments bewirken<br />
(Abbildung 3.4 c).<br />
Im Fall der elektrochemischen Metallisierungs-Speicherzellen (EMS) wurde das<br />
filamentäre Wachstum anhand von Vertikal-Strukturen gezeigt [73]. Auch CAFM-<br />
Messungen und elektrische Untersuchungen wiesen stark auf das Wachstum von<br />
Einzel-Filamenten durch das Festkörperelektrolyt hin [74, 75].<br />
Dennoch ist zu erwähnen, dass auch das Schalten in Festkörperelektrolyten nicht<br />
vollständig verstanden ist. Offene Fragen nach der mikroskopischen Struktur der<br />
metallischen Filamente, dem Einfluss thermischer Effekte, der genauen<br />
Elektrodenreaktion (insbesondere während des RESET) oder den Einflüssen von<br />
Dotierung und amorpher Struktur der Gläser müssen bei dem Phänomen des resistiven<br />
Schaltens in EMS geklärt werden [52].<br />
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