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- Pressemitteilung Forschungszentrum Jülich (FJZ) vom 19.08.2016 -

Foto Querformat: Frau Prof. Regina Dittmann im Labor inmitten von glänzenden Apparaturen aus Edelstahl.

Prof. Regina Dittmann am Photoemissionsmikroskop NanoESCA
im Electronic Oxide Cluster Labor des Jülicher Peter Grünberg Instituts (PGI-7),
mit dem die Transportvorgänge untersucht wurden.
Foto vom 19.10.2015: © Copyright Peter Winandy

Auf dem Weg zu besseren Datenspeichern

Jülich, 19. August 2016 - Sie sind um ein Vielfaches schneller als FLASH-Speicher und benötigen deutlich weniger Energie: ReRAM-Speicher könnten die Computertechnik in den nächsten Jahren revolutionieren. Bisher waren die Schaltprozesse in diesen neuartigen Speichern jedoch nur unzureichend erforscht. Ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Jülich, Aachen und den USA hat nun ein neues Verfahren entwickelt, um zu bestimmen, was beim Schalten passiert. Die neuen Erkenntnisse erleichtern das Design von Speichern und erlauben es, Schalteigenschaften gezielt einzustellen. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht (DOI: 10.1038/NCOMMS12398).

Sogenannte memristiveAnm. Red. radio-luma: Ein Memristor – der Name ist ein Kofferwort aus englisch memory (Speicher) und resistor (elektrischer Widerstand) – ist ein passives elektrisches Bauelement, dessen elektrischer Widerstand nicht konstant ist. Speicherbauelemente gelten als äußerst schnell, energiesparend und lassen sich sehr gut bis in den NanometerAnm. radio-luma: 1 Nanometer Symbol nm enspricht dem 1.000.000 Teil eines Millimeters (mm). Die Dicke eines menschliches Haares ist im Durchschnitt zw. 0.02 bis 0,08 mm dick.bereich verkleinern. Zudem handelt es sich – anders als bei den gängigen DRAM-ArbeitsspeichernAnm.: Dynamic Random Access Memory (DRAM), oder der halb eingedeutschte Begriff dynamisches RAM, bezeichnet eine Technologie für einen elektronischen Speicherbaustein mit wahlfreiem Zugriff ( Random Access Memory, RAM), der hauptsächlich in Computern eingesetzt wird. – um einen nichtflüchtigen Speichertyp: Die Daten bleiben auch dann noch erhalten, wenn der Strom abgeschaltet wird. Das könnte das Hochfahren des Rechners Bruchteile von Sekunden verkürzen.

Die Funktionsweise memristiver Zellen beruht auf einem ganz besonderen Effekt: Ihr elektrischen WiderstandWiderstand (Bauelement):
Ein Widerstand ist ein zweipoliges passives elektrisches Bauelement zur Realisierung eines ohmschen Widerstandes in elektrischen und elektronischen Schaltungen. Widerstände werden beispielsweise verwendet, um
• den elektrischen Strom auf sinnvolle Werte zu begrenzen
• die elektrische Spannung in einer Schaltung aufzuteilen
• elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln.
ist nicht konstant, sondern lässt sich durch das Anlegen einer äußeren Spannung verändern und wieder zurücksetzen. So stehen beispielsweise ein niedriger Widerstandszustand für die logische "1" und ein hoher Widerstandszustand für die logische "0". Damit lassen sich alle Informationen in einem binären CodeEin Binärcode ist ein Code, in dem Informationen durch Sequenzen von zwei verschiedenen Symbolen (zum Beispiel 1/0 oder wahr/falsch) dargestellt werden. Die Basis dieses Systems ist die Zahl 2. Die Bezeichnung leitet sich von der lateinischen Vorsilbe bi ab, welche die Bedeutung zwei oder doppelt hat.
Binärcodes bilden auf Grund ihrer Einfachheit in aller Regel die Grundlage für die Verarbeitung digitaler Informationen und werden deshalb häufig im Zusammenhang mit deren Verarbeitung genannt.
abspeichern.

Die Änderung des elektrischen Widerstands wird dabei durch die Bewegung von SauerstoffionenEin Ion [In IPA Lautschrift: i̯o:n ] ist ein elektrisch geladenes Atom oder Molekül. herbeigeführt. Bewegen sich die Ionen aus der halbleitenden Metalloxid Metalloxide sind Verbindungen zwischen einem Metall und Sauerstoff.schicht heraus, so wird das Material schlagartig leitfähig – der elektrische Widerstand sinkt. Wie viel Sauerstoff sich dafür aber tatsächlich bewegen muss, war bisher nicht klar. Nun konnten die Forscher am Peter Grünberg Institut die Vorgänge klären, die beim Betrieb der Speicher ablaufen.

"Obwohl sich erste memristive Speicher bereits seit etwa drei Jahren auf dem Markt befinden, wurden diese Speicherbauelemente bisher weitgehend nach Erfahrungswerten optimiert", erläutert Prof. Regina Dittmann vom Peter Grünberg Institut. Die Schaltprozesse laufen innerhalb winziger FilamenteEin Filament, das, Herkunft: spätlateinisch filamentum = Fadenwerk. ab. Solche Prozesse können beispielsweise mittels PhotoemissionsmikroskopieDie Photoemissionsmikroskopie (englisch photo emission electron microscopy, Kurzform: PEEM) ist eine
mit der Photoelektronenspektroskopie (PES) und der Elektronenmikroskopie verwandte, analytische Methode zur
Untersuchung von Oberflächenphänomenen.
nachgewiesen werden – allerdings nur für oberflächennahe Phänomene. Die aktive Schicht von ReRAMDie Abkürzung ReRAM, englisch Resistive Random Access Memory, Resistives RAM (RRAM englisch, ReRAM, Memristor) ist ein nichtflüchtiger Speichertyp bestehend aus einer "aktiven" Lage aus Dünnfilm-Metall-Oxid, dessen elektrischer Widerstand mittels elektrischer Impulse stark verändert werden kann. Gegenüber heutigen FLASH-Speichern (z. B. in digitalen Kameras) könnte die Speicherdichte auf mehr als das 50-fache erhöht werden, im übertragenen Sinn entsprechend 1 TB Daten auf der Fläche einer Briefmarke.-Speichern liegt aber unterhalb einer Metallelektrode und konnte deshalb bisher nicht während des eigentlichen Schaltvorgangs beobachtet werden.

Die Lösung dieses Problems lag in dem Nanomaterial GraphenGraphen (Betonung auf der zweiten Silbe: Graphen; englisch graphene) ist die Bezeichnung für eine Modifikation
des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom im Winkel von 120° von drei weiteren umgeben ist,
sodass sich ein bienenwabenförmiges Muster ausbildet.
. "Durch diese nur ein Atom dicke Kohlenstoffschicht, die fast genauso leitfähig ist wie eine dicke Metallschicht, können wir mit unserem Photoemissionsmikroskop hindurchschauen", erklärt Dittmann. Durch Experimente Bessy II Synchrotron in Berlin Informationen zu Bessy II am Seitenende. in enger Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Claus Michael Schneider am Peter Grünberg Institut konnten die Vorgänge in der unter dem Graphen liegenden Metalloxidschicht während des Schaltens sichtbar gemacht und damit die Änderung der Konzentration der Sauerstoffleerstellen innerhalb eines Filaments während des Schaltens genau bestimmt werden. Mit diesen Werten konnte man nun durch Simulationen die elektrischen Kenndaten der Bauelemente gut reproduzieren. Diese Ergebnisse können in Zukunft als Grundlage für realistische Simulationen herangezogen werden.

Foto Querformat: Frau Prof. Regina Dittmann im Labor inmitten von glänzenden Apparaturen aus Edelstahl.

Blick in das memristive Bauelement:
Spektromikroskopische Identifizierung des schaltenden Filaments
durch eine nur ein Atom dünne Kohlenstoffschicht.
Bild vom 01.08.2016: © Copyright Forschungszentrum Jülich

Originalpublikation:
Christoph Bäumer, Christoph Schmitz, Astrid Marchewka, David N. Mueller, Richard Valenta, Johanna Hackl, Nicolas Raab, Steven P. Rogers, M. Imtiaz Khan, Slavomir Nemsak, Moonsub Shim, Stephan Menzel, Claus Michael Schneider, Rainer Waser & Regina Dittmann:
"Quantifying redox-induced Schottky barrier variations in memristive devices via in-operando spectromicroscopy with graphene electrodes",
Nature Communications (2016) DOI 10.1038/NCOMMS12398.

Weitere Informationen:

Peter Grünberg Institut, Bereich Elektronische Eigenschaften (PGI-6): www.fz-juelich.de/pgi/pgi-6/DE/.

Peter Grünberg Institut, Bereich Elektronische Materialien (PGI-7): www.fz-juelich.de/pgi/pgi-7/DE/.

Die Startseite vom Peter Grünberg Institut (PGI): www.fz-juelich.de/pgi/.


Über das Forschungszentrum Jülich

Die Forschungszentrum Jülich GmbH (FZJ) betreibt, gestützt auf die Schlüsselkompetenzen Physik und Supercomputing, interdisziplinäreMit interdisziplinär ist gemeint, über die Grenzen einer (Wissenschafts-)Disziplin hinaus; mehrere Disziplinen einbeziehend - (Disziplin, hier im Bedeutungssinn von: Teilgebiet eines Betätigungsfelds, zum Beispiel der Wissenschaft, Schule oder des Sports.). Forschung in den Bereichen Gesundheit, Energie und Umwelt sowie Information.
Mit rund 5800 Mitarbeiterinnen & Mitarbeitern (2014) gehört es zu den größten Forschungseinrichtungen Europas.

Weitere Informationen direkt im Internetangebot vom FZJ - "über uns".

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Die Startseite vom Forschungszentrum Jülich (FZJ) mit Informationen in Englisch und Deutsch: www.fz-juelich.de.

Foto Querformat: .
Luftbild vom 28.04.2012. Das Gelände des
Elektronen-Speicherring BESSY in Berlin-Adlershof.
Author: Robert Grahn euroluftbild.de®
Lizenz: CC BY-SA 3.0
Bildquelle: de.wikipedia.org Artikel:
Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft
für Synchrotronstrahlung
.

Über Bessy II Synchrotron in Berlin

Ein Synchrotron (von synchron, "gleichzeitig") ist ein Typ von Teilchenbeschleunigern und gehört zu den Ringbeschleunigern. Geladene Elementarteilchen Elementarteilchen sind die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Aus der Sicht der theoretischen Physik sind sie die geringsten Anregungsstufen bestimmter Felder. Nach dem heutigen durch Experimente gesicherten Wissen, das im Standardmodell der Teilchenphysik zusammengefasst ist, gibt es
• sechs Arten Quarks,
• sechs Arten Leptonen,
• zwölf Arten Austauschteilchen für die starke, die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung, mittels derer je zwei der vorstehend genannten Teilchen aufeinander einwirken,
• und das Higgs-Boson.
oder Ionen können darin auf sehr hohe (relativistischerelativistisch, der Begriff steht u. a. in Bezug zu Albert Einstein und der von ihm zunächst erkannten, sogenannten Allgemeinen Relativitätstheorie.) Geschwindigkeiten in einem Ring beschleunigt werden, wodurch sie sehr hohe kinetische EnergienDie kinetische Energie (von griechisch kinesis = Bewegung) oder auch Bewegungsenergie oder selten Geschwindigkeitsenergie ist die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Bewegung enthält. Sie entspricht der Arbeit, die aufgewendet werden muss, um das Objekt aus der Ruhe in die momentane Bewegung zu versetzen. Sie hängt von der Masse und der Geschwindigkeit des bewegten Körpers ab. erhalten. Synchrotrone wurden entwickelt, um über die mit ZyklotronenDas Zyklotron (griechisch κύκλος, kýklos bzw. lateinisch cyclus "Bogen ", "Kreis ") ist ein Teilchenbeschleuniger, genauer ein Kreisbeschleuniger. Ein Magnetfeld bringt die zu beschleunigenden Teilchen in eine spiralähnliche Bahn, auf der die Beschleunigungsstrecken immer wieder durchlaufen werden. erreichbaren Energien hinauszukommen.

BESSY II: [ Direkt auf der freien Straßenkarte OpenStreetMaps ]

Direkt zur Startseite von BESSY II im Internetangebot vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie: www.helmholtz-berlin.de/quellen/bessy/,
mit weiterführenden Verbindungen im Thema in Englisch & Deutsch.

Überschau BESSY:
Die Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung m.b.H. (BESSY) war der Name und die Rechtsform einer Forschungseinrichtung in Berlin, die durch Bereitstellung von Synchrotronstrahlung Dienstleistungen für Wissenschaft und die Industrie erbrachte.
Die Betreibergesellschaft wurde am 5. März 1979 zur Errichtung und Betrieb einer Elektronenspeicherringanlage gegründet.
Am 11. November 2009 ging die BESSY GmbH in dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB), dem vormaligen Hahn-Meitner-Institut auf.

Über Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)

Das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie besteht als Gesellschaft mit beschränkter Haftung. Die Gesellschaft hat ihren Sitz in Berlin.
Das HZB ist Teil der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren.

Direkt zur Überschau HZB im Internetangebot vom Helmholtz-Zentrum Berlin: www.helmholtz-berlin.de/zentrum.

Startseite Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB): www.helmholtz-berlin.de, mit Informationen in Englisch und Deutsch.

Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.V.
Die Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e. V., kurz HGF, ist eine deutsche Organisation zur Förderung und Finanzierung der Forschung.

Die Startseite der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF): www.helmholtz.de, mehrsprachig.

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- Veröffentlichung dieser Seite am 23. August 2016 -