Dynamik amorpher Halbleiter

Unsere Forschung befasst sich mit der Untersuchung der Dynamik resistiv schaltender Materialien und ihrer Anwendungsmöglichkeiten in neuartigen elektronischen Bauteilen. Durch eine Umordnung ihrer atomistischen Struktur ändern diese Materialien verändern ihre elektrischen Eigenschaften enorm, während ihre chemische Zusammensetzung unverändert bleibt. Wie hängen die elektrischen Eigenschaften von der atomistischen Struktur ab? Wie schnell können diese Zustände geändert werden? Welche Zustände sind besonders Stabil? Was passiert auf mikroskopischer Skala, wenn der Zustand eines dieser Materialen geändert wird? Das sind einige der grundlegenden Fragen, auf die wir in unserer Forschung Antworten suchen.

• Erforschung kondensierter Materie fernab des Gleichgewichts: Um diese Fragen zu beantworten, charakterisieren wir die Dynamik unserer nanostrukturierten Proben über viele Größenordnungen der Zeit hinweg mit Hilfe von elektrischen und ultraschnellen optischen Messungen.
• Ab-Initio Simulationen: Diese Messungen werden durch ab-initio Simulationen auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie ergänzt, die Zugang zu Größen bieten, die mit Experimenten nicht oder nur schwer zugänglich sind. In enger Verbindung mit unseren experimentellen Arbeiten streben wir ein tieferes Verständnis des elektronischen Transportmechanismus' in der amorphen Phase von Phasenwechselmaterialien auf der Nanoskala an, was für das Verständnis des Verhaltens von nanoskopischen Speicherelementen unerlässlich ist.
• Phasenwechselmaterialien in neuartigen Prozessoren: Diese Elemente können durch Ausnutzung des Kontrastes der elektrischen und optischen Eigenschaften zwischen den kristallinen und amorphen Zuständen von Phasenwechselmaterialien realisiert werden. Diese Bauelemente können in neuartigen Prozessoren verwendet werden, die vom Aufbau und der Funktionsweise unseres Gehirns inspiriert sind.
• Maßgeschneidert Materialien und Geräte: Optimale Leistung in spezifischen Anwendungen kann allerdings nur mit maßgefertigten Materialien mit optimierten Eigenschaften erreicht werden. Aus diesem Grund befasst sich ein Teil unserer Forschung mit der Entwicklung von Phasenwechselmaterialien und der Herstellung von nanostrukturierten Systemen mit denen ebendiese Anwendungen untersucht werden können.

Welche Materialien für einen Einsatz besonders gut geeignet sind, hängt sehr vom konkreten Zweck ab. An unseren mit Drittmitteln geförderten Projekte ist gut zu erkennen, wie wir unser Materialverständnis auf unterschiedlichen Anwendungsfeldern einsetzen. Mit einem Starting Grant vom European Research Council mit dem Titel NEURAMORPH zielen wir auf die Entwicklung kompakter Bauelemente für neuromorphe Computerchips.

Im Sonderforschungsbereich NANOSWITCHES arbeiten wir, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, mit Elektrotechnikern und Chemikern zusammen, um das transiente Verhalten resistiv schaltender Materialien in Nano-Strukturen grundlegend zu verstehen. Dabei beschäftigen wir uns vorwiegend mit der Schaltkinetik sowie mit den elektronischen Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien, insbesondere in ihren amorphen Zuständen.

Der Vision, einer neuen Generation von Datenspeichern auf Basis von Phasenwechselmaterialien den Weg zu bereiten, folgen wir in unserer Kollaboration mit dem IBM Forschungslabor in Zürich. Von 2013 bis Ende 2017 unterstützte die Europäische Kommission diese Partnerschaft zwischen Industrie und akademischer Welt unter dem Projektnamen DIASPORA.

Der kürzlich bewilligte Sonderforschungsbereich (SFB) "Intelligent matter: From responsive to adaptive nanosystems" untersucht wie Materialien mit responsiven Eigenschaften verwendet werden können, um intelligente Systeme zu entwickeln. Zu diesem Zweck arbeiten wir mit der Arbeitsgruppe Pernice zusammen, um elektro-optische Bauelemente für In-memory Computing zu entwickeln.