Zweipolige Memristoren haben sich als grundlegendes Schaltungselement für neuromorphes Rechnen und nicht-boolesche Logik etabliert. In letzter Zeit haben zweidimensionale (2D) Materialien wie MoS₂ als vielversprechend für die Memristortechnologie erwiesen, sowohl in lateraler als auch in vertikaler Geometrie (siehe Abbildung) [1, 2]. Das memristische Verhalten dieser  Bauelemente wurde mit der feldgetriebenen Korngrenzenbewegung in 2D-Materialien in Verbindung gebracht, ein detailliertes Verständnis dieses Prozesses ist jedoch nach wie vor nicht möglich. Alternative Realisierungen können sich auf auf piezoresistiven oder ferroelektrischen Effekten sowie auf Phasenwechselprozessen in 2D-Materialien beruhen.

© Thomas Müller

Schematische Darstellung eines (links) lateralen und vertikalen (Mitte) Memristors basierend auf Korngrenzen in MoS₂. Rechts: IV-Charakteristik eines Metall/MoS₂/Metall-Übergangs, der memristisches Verhalten zeigt.

Ziele

In diesem Projekt werden wir verschiedene Konzepte und Architekturen von 2D-Material-basierten memristiven Bauelementen für neuromorphes Rechnen und Sensorik. Mikroskopische Studien in Kombination mit theoretischer Modellierung wird es möglich sein, Einblicke in die Physik der Bauelemente zu gewinnen. Die Bauelemente werden integriert in in eine Crossbar-Architektur integriert und die Hardware-Implementierung von 2D-Material-basierten neuromorphen und Sensornetzwerken demonstriert werden.

Methoden

2D-Halbleiter werden durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellt und die Abhängigkeit des memristiven Abhängigkeit des memristiven Verhaltens von den Materialeigenschaften (Korngröße), der Bauteilstruktur (Geometrie) und der Materialzusammensetzung (2D Materialien und Kontaktmetallen) untersucht werden. Die Bauteilgeometrien werden optimiert, um eine zuverlässige Kontrolle von Multi-Level-Gewichten. Memristoren werden in einen Crossbar integriert, mit Nichtlinearitäten die auf konventionellen 2D-Halbleiterschaltungen basieren, integriert, um ein künstliches neuronales Netz zu realisieren. Mikroskopische Untersuchungen von Defekten und Korngrenzenveränderungen unter starken elektrischen Feldern/lokaler Erwärmung  werden um einen Einblick in die Physik der Bauelemente zu erhalten. Die Ergebnisse werden mit makroskopischen Bauteilmodellen Modellen und mikroskopischen Simulationen der Defektmodifikation unter starken Feldern/lokaler Erwärmung verglichen.

Kollaborationen

In enger Zusammenarbeit mit der Diebold-Gruppe werden wir Defekt- und Korngrenzenmodifikationen in 2D-Memristoren im UHV untersuchen. Die mikroskopische Modellierung wird in Zusammenarbeit mit den Gruppen von Libisch (elektronische Eigenschaften von Defekten/Korngrenzen) und Madsen (strukturelle Eigenschaften) durchgeführt. Grasser wird die Funktionsweise der Bauelemente auf makroskopischer Ebene modellieren, um die Leistung von Memristoren anhand der Erkenntnisse aus den mikroskopischen Studien zu verstehen. Lendl wird räumlich aufgelöste Stromkarten für Memristoren erstellen. Bauelemente und Netzwerke werden in der Müller-Gruppe hergestellt und getestet. Die in diesem Projekt verwendeten 2D-Halbleiter  werden von der Gruppe Mueller selbst synthetisiert und auch als Ausgangsmaterial für die Eder, Holzer (chemische Funktionalisierung), Filipovic (Gas-Sensorik) und Marchetti-Deschmann (Laser Desorption von Bioproben) zur Verfügung gestellt.

Betreuer

Die Forschung von Thomas Müller konzentriert sich auf die Herstellung und  Charakterisierung von (opto)elektronischen Bauteilen auf der Basis von 2D-Materialien,  wie Graphen, Monolayer-Halbleitern und 2D-Heterostrukturen. Die Gruppe verfügt über umfangreiche Erfahrungen im Bereich 2D-Materialien Transfer und der Herstellung von Nano-Bauelementen. International anerkannte Beiträge zu den elektronischen und optischen Eigenschaften von  2D-Materialien umfassen  die ersten ultraschnellen Photodetektoren auf Graphenbasis,  nanoelektronische Mikrochips [3], van der Waals Heterostrukturen in der Photovoltaik und Studien zur Photoleitfähigkeit von 2D-Halbleitern [4].

Website

Gruppe Prof. Müller, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Literatur

1. V. K. Sangwan, D. Jariwala, I. S. Kim, K.-S. Chen, T. J. Marks, L. J. Lauhon, and M. C. Hersam. Gate-tunable memristive phenomena mediated by grain boundaries in single-layer MoS₂. Nature Nanotechnology 10, 403–406 (2015). DOI: 10.1038/nnano.2015.56.
2. R. Ge, X. Wu, M. Kim, J. Shi, S. Sonde, L. Tao, Y. Zhang, J. C. Lee, and D. Akinwande. Atomristor: Nonvolatile resistance switching in atomic sheets of transition metal dichalcogenides. Nano Letters 18, 434–441 (2017). DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04342.
3. S. Wachter, D. K. Polyushkin, O. Bethge, and T. Mueller. A microprocessor based on a two-dimensional semiconductor. Nature Comm. 8, 14948 (2017). DOI: 10.1038/ncomms14948.
4. M. M. Furchi, D. K. Polyushkin, A. Pospischil, and T. Mueller. Mechanisms of photoconductivity in atomically thin MoS₂. Nano Letters 14, 6165–6170 (2014). DOI: 10.1021/nl502339q.