Eine aktuelle Studie des Paul Scherrer Instituts (PSI) hat das Verständnis der Funktionsweise elektrischer Schaltvorgänge in ultradünnen kryogenen Speicherelementen verbessert. Mithilfe ortsaufgelöster Röntgenbeugung an der Schweizer Lichtquelle (SLS) verfolgten Wissenschaftler die Reorganisation atomarer Schichten eines Van-der-Waals-Kristalls während des Betriebs des Speicherelements. Die Forschung liefert Erkenntnisse über eine neue Klasse hocheffizienter Speicherelemente.
Grossanlagen wie die Synchrotronstrahlungsquelle Swiss Light Source (SLS) am PSI sind unerlässlich für die Charakterisierung von Quantenmaterialien und Elektronik der nächsten Generation. Ein aktuelles Beispiel: Wissenschaftler des PSI und des Jožef-Stefan-Instituts in Slowenien untersuchten mithilfe der SLS ultradünne Kristallschichten, um deren ungewöhnliche Eigenschaften besser zu verstehen.
"Ihre elektronischen Eigenschaften lassen sich mit hoher Effizienz und Geschwindigkeit zwischen isolierendem und leitendem Zustand umschalten“, erläutert Corinna Burri, Erstautorin der Studie. Bei niedrigen Temperaturen ist der Grundzustand isolierend, doch Licht- oder Stromimpulse können die Kristallplättchen elektrisch leitfähig machen. Indem das Team die Umlagerung der Atomschichten während dieses Prozesses verfolgte, konnte es die Umschaltung nun effektiver steuern. "Dieses Verhalten ist vielversprechend für zukünftige Bauelemente, wie beispielsweise den Kryospeicher, der für die klassische Steuerelektronik von Festkörper-Quantencomputern benötigt wird", fügt Burri hinzu.
Da die traditionelle Siliziumelektronik an ihre physikalischen Grenzen stösst, erforschen Wissenschaftler verstärkt alternative Materialien mit einstellbaren elektronischen Eigenschaften, deren Veränderung nur minimalen Energieaufwand erfordert.
"Van-der-Waals-Materialien – bestehend aus schwach gebundenen Atomlagen – sind besonders vielversprechend“, erklärt Simon Gerber, dessen Gruppe am PSI Center for Photon Science die Studie leitete. Einige dieser Materialien weisen eine Vielzahl korrelierter elektronischer Phasen auf, die sich mit kurzen elektrischen oder optischen Impulsen schalten lassen. Dadurch eignen sie sich für hocheffiziente Speichermedien.
Die Verbindung 1T-TaS₂ ist ein solches geschichtetes Van-der-Waals-Material. Bei tiefen Temperaturen bildet es einen elektrisch isolierenden Zustand, der durch eine kollektive Neuordnung der Elektronen bestimmt wird. Im letzten Jahrzehnt entdeckte das Forschungsteam um Dragan Mihailovic am Jožef-Stefan-Institut, dass das Material einige bemerkenswerte Eigenschaften besitzt: Der isolierende Grundzustand lässt sich durch Anlegen eines ultrakurzen Licht- oder Stromimpulses in einen langlebigen metallischen "versteckten“ Zustand überführen. "Dieses schaltbare Verhalten wurde in Transportmessungen nachgewiesen, doch eine zentrale Frage blieb unbeantwortet: Wo und wie genau findet die Umschaltung im Material statt?", so Mihailovic.
In vielen herkömmlichen Speicherbauelementen wird das Schalten durch die Bildung schmaler, fadenförmiger Leitungsbahnen bewirkt, die den Strom in kleinen Bereichen konzentrieren. Ob ein ähnlicher Mechanismus in 1T-TaS₂-Kryospeicherbauelementen wirkt oder ob das Schalten stattdessen eine kollektive Reorganisation des Kristalls beinhaltet, hat wichtige Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und Effizienz der Bauelemente. Um diese Frage zu beantworten, ist jedoch eine Methode erforderlich, um in ein funktionierendes Bauelement hineinzusehen, ohne es zu zerstören.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, fertigte Corinna Burri im Reinraum PICO des PSI ultradünne 1T-TaS₂-Flocken zu mikroskopischen Bauelementen an. Diese wurden anschliessend auf kryogene Temperaturen abgekühlt und an der Mikro-XAS-Beamline des SLS mittels einer Kombination aus elektrischen Transportmessungen und ortsaufgelöster Röntgenbeugung und Fluoreszenz untersucht. Während kurze Stromimpulse zum Schalten der Bauelemente angelegt wurden, tastete ein eng fokussierter Röntgenstrahl die Proben ab und ermöglichte es dem Team so, sowohl den elektronischen Zustand als auch die atomare Struktur dreidimensional abzubilden.
Die Studie zeigt, dass sich das elektrische Schalten von 1T-TaS₂ grundlegend vom filamentartigen Schaltvorgang herkömmlicher Speicher unterscheidet. Anstatt lokalisierte leitfähige Pfade zu bilden, erscheint der metallische verborgene Zustand als ausgedehnte, geordnete Region, die ein signifikantes Volumen des Bauelements einnimmt. Diese Region dringt tief in das Material ein und erstreckt sich sogar unter die Metallelektroden, was darauf hindeutet, dass das Schalten ein volumenbasierter, kollektiver Prozess ist, an dem viele Atomlagen beteiligt sind.
Durch die Rekonstruktion der Stapelung der Van-der-Waals-Schichten vor und nach dem Schaltvorgang konnte das Team zeigen, dass elektrische Impulse die Anordnung der Schichten übereinander verändern. Diese strukturelle Umordnung stabilisiert den metallischen Zustand und erklärt dessen Nichtflüchtigkeit bei tiefen Temperaturen.
Simon Gerber fügt an: "Neben den Erkenntnissen zum nicht-thermischen Schaltprozess des Materials 1T-TaS₂ unterstreicht diese Arbeit das Potenzial der zerstörungsfreien Röntgenbildgebung für die Entwicklung elektronischer Bauelemente der nächsten Generation.“ Die Möglichkeit, zu visualisieren, wo und wie das Schalten in einem funktionierenden Bauelement stattfindet, liefert neue Erkenntnisse für die Entwicklung und Optimierung von Bauelementen.
Text: Paul Scherrer Institut (PSI)
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