Mit Kristallgitterdefekten zu Nanospeichern
Wissenschaftlern gelang es mit Hilfe einer Variante der Rastersondenmikroskopie nachzuweisen, dass sich der Unterschied in der Leitfähigkeit von Strontiumtitanat für zukünftige Speicher eignen könnte.
Bereits in den 70er-Jahren wurde beobachtet, dass bestimmte Übergangsmetalloxide nach einer thermischen Vorbehandlung einen stabilen, schaltbaren Widerstandseffekt zeigen. Die Gruppe um Georg Bednorz am IBM-Forschungslabor in Zürich, der zusammen mit seinem Kollegen Alex Müller den Nobelpreis für die Entdeckung der Hochtemperatursupraleitung in Oxiden erhalten hatte, brachte Ende der 90er-Jahre den Effekt als mögliches Prinzip für zukünftige Computerspeicher auf.
Es blieb jedoch lange ungeklärt, wie das Widerstandsschalten abläuft und mit welchen Struktureigenschaften es im oxidischen Material einhergeht. Das Rätsel konnte jetzt mit einer Variante der Rastersondenmikroskopie gelöst werden, die es erlaubt, extrem kleine Ströme mit einer außerordentlich großen Ortsauflösung an Oberflächen aufzunehmen. Das berichtet die aktuelle Ausgabe der Zeitschrift Nature Materials.
Mit dieser Rastersondenmikroskopie gelang es Wissenschaftlern des Forschungszentrum Jülich nachzuweisen, dass sich die Änderung der Leitfähigkeit von Strontiumtitanat auf Versetzungen (Defekte) im Kristallgitter beschränkt. Die Forscher schalteten die Leitfähigkeit der Versetzung mittels einer negativer und positiver Spannungen ein und aus. Durch den geringen Abstand erfolgt die Verschiebung von Sauerstoff-Ionen während der Oxidation im Kristall – und somit auch das Schalten der Spannungen – extrem schnell.
Als Speichermedien könnten die Einkristalle möglicherweise große Vorteile gegenüber DRAM- und VRAM-Speicher bieten: Sie erlauben schnelle Schaltzeiten wie DRAM, sind dabei jedoch ähnlich dem deutlich langsameren VRAM (Flash-Speicher) nicht flüchtige Speicher, verlieren bei abgeschalteter Spannung also nicht die gespeicherten Informationen. Hinzu kommt, dass schaltende Oxide durch die geringe Ausdehnung der Versetzungen in den Kristallgittern theoretische eine extrem hohe Speicherdichte bieten. Die Wissenschaftler gehen von einer möglichen Steigerung der Dichte von bis zu 1000 gegenüber aktuellem DRAM- und Flash-Speichern aus. Die Gitterdefekte der Kristalle würden demnach den Bau von sehr kleinen Speicherzellen ermöglichen.
Dem Einsatz als Computerspeicher stehen allerdings noch einige Probleme im Wege. Momentan arbeiten die Forscher daran, die in den Kristallen unregelmäßig verteilten Versetzungen präzise und regelmäßig herzustellen. Davon abgesehen gibt es noch keine massenfertigungstaugliche Verfahren für Unter- und Oberelektroden zum Schalten der Kristalle, auch fehlen entsprechend kleine Leiterverbindungen. (Klaus Wiesen) / (jr)
