Das Konzept neuartiger, resistiv schaltender Langzeitspeicherzellen sieht eine enorme Erhöhung der Speicherdichte bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch und hoher Skalierbarkeit vor. In diesem Zusammenhang sind unterschiedlichste Übergangsmetalloxide Gegenstand der aktuellen Forschung, die zwischen Metallelektroden in einer Metall-Isolator-Metall-Struktur eingebettet sind. Ein anerkanntes Modell zur Klärung der lokalen Struktur innerhalb des Schaltmechanismus beschreibt die Änderung des resistiven Zustandes in der wechselnden Ausbildung und Auflösung eines leitfähigen Pfades in der Oxidschicht, der beide Elektroden miteinander verbindet. Die vorliegende Arbeit befasst sich auf dieser Grundlage mit der Untersuchung solcher Speicherzellen, wobei anhand der gewählten Elektrodenmaterialien Speichereffekte rein auf Änderungen im Oxid zurückzuführen sind. Die sich daraus ergebende Möglichkeit der gezielten Änderung des efekthaushaltes und des resistiven Schaltverhaltens der Oxidschichten durch deren Ausheizung oder Modifikation mittels Ionenimplantation stand im Fokus der Arbeit. Dementsprechend muss für eine genaue Lokalisierung des Schaltmechanismus die gewählte Oxidstruktur nicht nur genauestens bekannt, sondern auch möglichst rein sein. Zur Vereinigung all diese Faktoren wird das Modellsystem SrO-TiO2 mit den beiden Vertretern TiO2 und SrTiO3 untersucht, da seine Eigenschaften in der Literatur bereits rege diskutiert wurden. Zur Gewährleistung der Reinheit der Schichten wird die Herstellung der Isolatorschichten durch Atomlagenabscheidung eingesetzt und deren Optimierung, sowie Schichtcharakterisierung im ersten Teil der Arbeit vorgestellt. Mittels einer Vielzahl optischer und struktureller Analysemethoden lassen sich definierte Rückschlüsse über die Eigenschaften der Oxide ziehen. Sämtliche Veröffentlichungen zur Herstellung von SrTiO3 mittels Atomlagenabscheidung beziehen sich entweder auf eigens hergestellte Anlagensysteme oder Präkursormaterialien, wodurch die Schichten industriell nicht reproduzierbar sind. Eines der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit ermöglicht eben dies durch die erstmalige Kombination einer kommerziell erhältlichen Anlage mit kommerziellen Präkursormaterialien. Nach deren Optimierung werden die Oxidschichten zwischen den beiden Metallelektroden Au und TiN integriert und die daraus resultierenden Speicherzellen elektrisch charakterisiert. Es kann bipolares, nichtflüchtiges, resistives Schaltverhalten in amorphen und ex situ kristallisierten Oxiden nachgewiesen werden. Anhand von Struktur-Eigenschaft-Korrelationen gelingt es, die Leitungsmechanismen in den untersuchten Speicherzellen als Schottky-Emission und bei ausreichend hohen Spannungen als volumendominierte Poole-Frenkel-Emission zu charakterisieren. Bei den dafür notwendigen Defekten handelt es sich um flache Donatorzustände. Die Annahme des resistiven Schaltens über einen reversiblen leitfähigen Pfad basierend auf Defektzuständen wird durch die Änderung der Coulomb-Barrierenhöhe bei konstanter Schottky-Barrierenhöhe innerhalb derselben Mikrostruktur bestätigt. Besonders das untersuchte TiO2 amorpher Struktur mit Schalt- und Lesegeschwindigkeiten von wenigen Millisekunden, aber auch polykristallines SrTiO3 zeigen ein hohes Potential für deren zukünftige Anwendung auf dem Gebiet resistiv schaltender Speicherzellen. Durch Kr+-Ionenimplantation ändern sich nachweislich sowohl die elektrischen als auch die strukturellen Eigenschaften in TiO2 und SrTiO3. XRD-Messungen an polykristallinen TiO2-Schichten bestätigen die mittels SRIM durchgeführten Simulationsdaten und zeigen für Implantationen ausreichend hoher Fluenzen eine Amorphisierung der kristallinen Strukturen durch atomare Umverteilung im Oxid. Dadurch bilden sich zusätzlich intrinsische, tiefe Defektniveaus in den Oxidschichten, welche das resistive Schalten modifizieren. Die Implantation polykristalliner TiO2-Schichten führt nachweislich zur Umwandlung flüchtiger in nichtflüchtige Schaltkurven, die im Vergleich zu amorphen Ausgangsproben stabilere Widerstandswerte bei geringerem Energieaufwand zeigen. / The concept of novel, longterm resistive switching memories is based on an enormous increase of the storage density with a simultaneous low energy consumption and a high scalability. In this context, different transition metal oxides, which are embedded between metal electrodes in a metal-insulatormetal structure, are part of the ongoing research. A widely recognized model for an explanation of the local structure within the switching mechanism discribes the alteration of the resistive state as a result of an alternating forming and interruption of a conducting path inside an oxide layer. The presence of such a filament acts like a linkage between the electrodes. Based on that, the present study deals with the investigation of such memory storages. In the wake of this the chosen electrode materials enables the determination of memory effects due to pure modifications inside the oxide layers. Thus, a targeted manipulation of defects and the resistive switching mechanism becomes possible by annealing of the layer or its modification by ion implantation which was the central challenge. Therefore the used oxide structures have to be well reputed and, additionally, almost free of defects to be able to localize changes in the switching mechanism exactly. To combine all this facts, the model system SrO-TiO2 is investigated with the two compounds TiO2 und SrTiO3. The properties of this system are already well discussed in literature. To ensure the purity of the layers, they are created by atomic layer deposition. The optimisation of the deposition process and layer characterization is presented in the first part of this study. Using a variety of optical and structural analysis methods allows defined conclusions about the oxide properties. All publications concerning the atomic layer deposition of SrTiO3 deal with self-made devices or precursor materials foreclosing an industrial reproduction. One of the results of this thesis enables exactly that by a combination of a commerically available device and commercial precursor materials. After its optimisation, the oxide layers are integrated between the two electrode materials Au and TiN in order to characterize the electrical properties of the resulting memory cells. Bipolar, nonvolatile resistive switching can be proved for amorphous and ex situ crystallised oxides. Based on structure-property correlations the conduction mechanism within the investigated cells can be identified as Schottky emission and for sufficiently high voltage as volume-dominated Poole Frenkel emission. The necessary defects therefore are determined to be shallow donor states. The assumption of resistive switching based on a reversible conducting filament consisting of defect states is confirmed by a changing Coulomb barrier high during the high of the Schottky barrier remains contant. Especially amorphous TiO2 with switching and reading speeds up to a few milliseconds, but also polycrystalline SrTiO3 showing high potential for future implementation in resistive switching memory cells. By use of Kr+ ion implantation the electrical and structural properties of TiO2 and SrTiO3 are changed. XRD measurements at crystalline TiO2 layers verify simulation data carried out by SRIM. For high enough fluences it shows an amorphisation of the crystalline structures by atomic redistribution inside the oxids. Thus, additionally intrinsic deep defects are created inside the oxide layers which modify the resistive switching character. A special focus is on the transformation of crystalline volatile switching TiO2 layers into amorphous non-volatile memory devices which shows more stable resistance values combined with lower energy input compared to initial amorphous layers.

The thesis deals with the preparation, characterization and, in particular, with the switching properties of phase-change material (PCM) thin films. The films were deposited using the Pulsed Laser Deposition (PLD) technique. Phase transformations in these films were triggered by means of thermal annealing, laser pulses, and electrical pulses. The five major physical aspects structure transformation, crystallization kinetics, topography, optical properties, and electrical properties have been investigated using XRD, TEM, SEM, AFM, DSC, UV-Vis spectroscopy, a custom-made nanosecond UV laser pump-probe system, in situ resistance measurements, and conductive-AFM. The systematic investigation of the ex situ thermally induced crystallization process of pure stoichiometric GeTe films and O-incorporating GeTe films provides detailed information on structure transformation, topography, crystallization kinetics, optical reflectivity and electrical resistivity. The results reveal a significant improvement of the thermal stability in PCM application for data storage. With the aim of reducing the switching energy consumption and to enhance the optical reflectivity contrast by improving the quality of the produced films, the growth of the GeTe films with simultaneous in situ thermal treatment was investigated with respect to optimizing the film growth conditions, e.g. growth temperature, substrate type. For the investigation of the fast phase transformation process, GeTe films were irradiated by ns UV laser pulses, tailoring various parameters such as pulse number, laser fluence, pulse repetition rate, and film thickness. Additionally, the investigation focused on the comparison of crystallization of GST thin films induced by either nano- or femtosecond single laser pulse irradiation, used to attain a high data transfer rate and to improve the understanding of the mechanisms of fast phase transformation. Non-volatile optical multilevel switching in GeTe phase-change films was identified to be feasible and accurately controllable at a timescale of nanoseconds, which is promising for high speed and high storage density of optical memory devices. Moreover, correlating the dynamics of the optical switching process and the structural information demonstrated not only exactly how fast phase change processes take place, but also, importantly, allowed the determination of the rapid kinetics of phase transformation on the microscopic scale. In the next step, a new general concept for the combination of PCRAM and ReRAM was developed. Bipolar electrical switching of PCM memory cells at the nanoscale can be achieved and improvements of the performance in terms of RESET/SET operation voltage, On/Off resistance ratio and cycling endurance are demonstrated. The original underlying mechanism was verified by the Poole-Frenkel conduction model. The polarity-dependent resistance switching processes can be visualized simultaneously by topography and current images. The local microstructure on the nanoscale of such memory cells and the corresponding local chemical composition were correlated. The gained results contribute to meeting the key challenges of the current understanding and of the development of PCMs for data storage applications, covering thin film preparation, thermal stability, signal-to-noise ratio, switching energy, data transfer rate, storage density, and scalability.

The thesis deals with the preparation, characterization and, in particular, with the switching properties of phase-change material (PCM) thin films. The films were deposited using the Pulsed Laser Deposition (PLD) technique. Phase transformations in these films were triggered by means of thermal annealing, laser pulses, and electrical pulses. The five major physical aspects structure transformation, crystallization kinetics, topography, optical properties, and electrical properties have been investigated using XRD, TEM, SEM, AFM, DSC, UV-Vis spectroscopy, a custom-made nanosecond UV laser pump-probe system, in situ resistance measurements, and conductive-AFM. The systematic investigation of the ex situ thermally induced crystallization process of pure stoichiometric GeTe films and O-incorporating GeTe films provides detailed information on structure transformation, topography, crystallization kinetics, optical reflectivity and electrical resistivity. The results reveal a significant improvement of the thermal stability in PCM application for data storage. With the aim of reducing the switching energy consumption and to enhance the optical reflectivity contrast by improving the quality of the produced films, the growth of the GeTe films with simultaneous in situ thermal treatment was investigated with respect to optimizing the film growth conditions, e.g. growth temperature, substrate type. For the investigation of the fast phase transformation process, GeTe films were irradiated by ns UV laser pulses, tailoring various parameters such as pulse number, laser fluence, pulse repetition rate, and film thickness. Additionally, the investigation focused on the comparison of crystallization of GST thin films induced by either nano- or femtosecond single laser pulse irradiation, used to attain a high data transfer rate and to improve the understanding of the mechanisms of fast phase transformation. Non-volatile optical multilevel switching in GeTe phase-change films was identified to be feasible and accurately controllable at a timescale of nanoseconds, which is promising for high speed and high storage density of optical memory devices. Moreover, correlating the dynamics of the optical switching process and the structural information demonstrated not only exactly how fast phase change processes take place, but also, importantly, allowed the determination of the rapid kinetics of phase transformation on the microscopic scale. In the next step, a new general concept for the combination of PCRAM and ReRAM was developed. Bipolar electrical switching of PCM memory cells at the nanoscale can be achieved and improvements of the performance in terms of RESET/SET operation voltage, On/Off resistance ratio and cycling endurance are demonstrated. The original underlying mechanism was verified by the Poole-Frenkel conduction model. The polarity-dependent resistance switching processes can be visualized simultaneously by topography and current images. The local microstructure on the nanoscale of such memory cells and the corresponding local chemical composition were correlated. The gained results contribute to meeting the key challenges of the current understanding and of the development of PCMs for data storage applications, covering thin film preparation, thermal stability, signal-to-noise ratio, switching energy, data transfer rate, storage density, and scalability.

Das Konzept neuartiger, resistiv schaltender Langzeitspeicherzellen sieht eine enorme Erhöhung der Speicherdichte bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch und hoher Skalierbarkeit vor. In diesem Zusammenhang sind unterschiedlichste Übergangsmetalloxide Gegenstand der aktuellen Forschung, die zwischen Metallelektroden in einer Metall-Isolator-Metall-Struktur eingebettet sind. Ein anerkanntes Modell zur Klärung der lokalen Struktur innerhalb des Schaltmechanismus beschreibt die Änderung des resistiven Zustandes in der wechselnden Ausbildung und Auflösung eines leitfähigen Pfades in der Oxidschicht, der beide Elektroden miteinander verbindet. Die vorliegende Arbeit befasst sich auf dieser Grundlage mit der Untersuchung solcher Speicherzellen, wobei anhand der gewählten Elektrodenmaterialien Speichereffekte rein auf Änderungen im Oxid zurückzuführen sind. Die sich daraus ergebende Möglichkeit der gezielten Änderung des efekthaushaltes und des resistiven Schaltverhaltens der Oxidschichten durch deren Ausheizung oder Modifikation mittels Ionenimplantation stand im Fokus der Arbeit. Dementsprechend muss für eine genaue Lokalisierung des Schaltmechanismus die gewählte Oxidstruktur nicht nur genauestens bekannt, sondern auch möglichst rein sein. Zur Vereinigung all diese Faktoren wird das Modellsystem SrO-TiO2 mit den beiden Vertretern TiO2 und SrTiO3 untersucht, da seine Eigenschaften in der Literatur bereits rege diskutiert wurden. Zur Gewährleistung der Reinheit der Schichten wird die Herstellung der Isolatorschichten durch Atomlagenabscheidung eingesetzt und deren Optimierung, sowie Schichtcharakterisierung im ersten Teil der Arbeit vorgestellt. Mittels einer Vielzahl optischer und struktureller Analysemethoden lassen sich definierte Rückschlüsse über die Eigenschaften der Oxide ziehen. Sämtliche Veröffentlichungen zur Herstellung von SrTiO3 mittels Atomlagenabscheidung beziehen sich entweder auf eigens hergestellte Anlagensysteme oder Präkursormaterialien, wodurch die Schichten industriell nicht reproduzierbar sind. Eines der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit ermöglicht eben dies durch die erstmalige Kombination einer kommerziell erhältlichen Anlage mit kommerziellen Präkursormaterialien. Nach deren Optimierung werden die Oxidschichten zwischen den beiden Metallelektroden Au und TiN integriert und die daraus resultierenden Speicherzellen elektrisch charakterisiert. Es kann bipolares, nichtflüchtiges, resistives Schaltverhalten in amorphen und ex situ kristallisierten Oxiden nachgewiesen werden. Anhand von Struktur-Eigenschaft-Korrelationen gelingt es, die Leitungsmechanismen in den untersuchten Speicherzellen als Schottky-Emission und bei ausreichend hohen Spannungen als volumendominierte Poole-Frenkel-Emission zu charakterisieren. Bei den dafür notwendigen Defekten handelt es sich um flache Donatorzustände. Die Annahme des resistiven Schaltens über einen reversiblen leitfähigen Pfad basierend auf Defektzuständen wird durch die Änderung der Coulomb-Barrierenhöhe bei konstanter Schottky-Barrierenhöhe innerhalb derselben Mikrostruktur bestätigt. Besonders das untersuchte TiO2 amorpher Struktur mit Schalt- und Lesegeschwindigkeiten von wenigen Millisekunden, aber auch polykristallines SrTiO3 zeigen ein hohes Potential für deren zukünftige Anwendung auf dem Gebiet resistiv schaltender Speicherzellen. Durch Kr+-Ionenimplantation ändern sich nachweislich sowohl die elektrischen als auch die strukturellen Eigenschaften in TiO2 und SrTiO3. XRD-Messungen an polykristallinen TiO2-Schichten bestätigen die mittels SRIM durchgeführten Simulationsdaten und zeigen für Implantationen ausreichend hoher Fluenzen eine Amorphisierung der kristallinen Strukturen durch atomare Umverteilung im Oxid. Dadurch bilden sich zusätzlich intrinsische, tiefe Defektniveaus in den Oxidschichten, welche das resistive Schalten modifizieren. Die Implantation polykristalliner TiO2-Schichten führt nachweislich zur Umwandlung flüchtiger in nichtflüchtige Schaltkurven, die im Vergleich zu amorphen Ausgangsproben stabilere Widerstandswerte bei geringerem Energieaufwand zeigen. / The concept of novel, longterm resistive switching memories is based on an enormous increase of the storage density with a simultaneous low energy consumption and a high scalability. In this context, different transition metal oxides, which are embedded between metal electrodes in a metal-insulatormetal structure, are part of the ongoing research. A widely recognized model for an explanation of the local structure within the switching mechanism discribes the alteration of the resistive state as a result of an alternating forming and interruption of a conducting path inside an oxide layer. The presence of such a filament acts like a linkage between the electrodes. Based on that, the present study deals with the investigation of such memory storages. In the wake of this the chosen electrode materials enables the determination of memory effects due to pure modifications inside the oxide layers. Thus, a targeted manipulation of defects and the resistive switching mechanism becomes possible by annealing of the layer or its modification by ion implantation which was the central challenge. Therefore the used oxide structures have to be well reputed and, additionally, almost free of defects to be able to localize changes in the switching mechanism exactly. To combine all this facts, the model system SrO-TiO2 is investigated with the two compounds TiO2 und SrTiO3. The properties of this system are already well discussed in literature. To ensure the purity of the layers, they are created by atomic layer deposition. The optimisation of the deposition process and layer characterization is presented in the first part of this study. Using a variety of optical and structural analysis methods allows defined conclusions about the oxide properties. All publications concerning the atomic layer deposition of SrTiO3 deal with self-made devices or precursor materials foreclosing an industrial reproduction. One of the results of this thesis enables exactly that by a combination of a commerically available device and commercial precursor materials. After its optimisation, the oxide layers are integrated between the two electrode materials Au and TiN in order to characterize the electrical properties of the resulting memory cells. Bipolar, nonvolatile resistive switching can be proved for amorphous and ex situ crystallised oxides. Based on structure-property correlations the conduction mechanism within the investigated cells can be identified as Schottky emission and for sufficiently high voltage as volume-dominated Poole Frenkel emission. The necessary defects therefore are determined to be shallow donor states. The assumption of resistive switching based on a reversible conducting filament consisting of defect states is confirmed by a changing Coulomb barrier high during the high of the Schottky barrier remains contant. Especially amorphous TiO2 with switching and reading speeds up to a few milliseconds, but also polycrystalline SrTiO3 showing high potential for future implementation in resistive switching memory cells. By use of Kr+ ion implantation the electrical and structural properties of TiO2 and SrTiO3 are changed. XRD measurements at crystalline TiO2 layers verify simulation data carried out by SRIM. For high enough fluences it shows an amorphisation of the crystalline structures by atomic redistribution inside the oxids. Thus, additionally intrinsic deep defects are created inside the oxide layers which modify the resistive switching character. A special focus is on the transformation of crystalline volatile switching TiO2 layers into amorphous non-volatile memory devices which shows more stable resistance values combined with lower energy input compared to initial amorphous layers.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den elektrischen Eigenschaften der resistiven Schaltmaterialien SrTiO3 und NbO2. Im ersten Teil werden NbO2 (001)-Dünnschichten untersucht. Bisher sind die für NbO2-Dünnschichten in der isolierenden Phase gemessenen spezifische Widerstände um einen Faktor von 200 niedriger als der in NbO2-Einkristallen gemessene 10 kΩ cm Widerstand. In dieser Arbeit wird der spezifische Widerstand von NbO2-Dünnschichten auf 945 Ω cm erhöht. Es wird gezeigt, dass leitfähige Perkolationspfade entlang der Korngrenzen für die Abnahme des spezifischen Widerstandes verantwortlich sind. Durch temperaturabhängige Leitfähigkeitsmessungen wurden Defektzustände identifiziert, die für die Verringerung des spezifischen Widerstandes gegenüber dem theoretischen Wert verantwortlich sind. Im zweiten Teil wird der Einfluss des Ti-Antisite Defekts auf das resistive Schalten in SrTiO3 Dünnschichten untersucht, welche mit metallorganischer Dampfphasenepitaxie gezüchtet wurden. Dabei werden sowohl stoichiometrische als auch Strontium defizitäre Schichten untersucht. Es wird über temperaturabhängige Permittivitätsmessungen gezeigt, dass durch Kristalldefekte die weiche Phononenmode gestört wird und bei stark strontiumverarmten Schichten polare Nanoregionen gebildet werden, was auf die Bildung des TiSr Defekts zurückgeführt wurde. Darüber hinaus wird gezeigt, dass stark strontiumdefiziente SrTiO3 -Schichten ein stabiles resistives Schalten mit einem Ein-Aus-Verhältnis von 2e7 bei 10 K aufweisen, während stöchiometrische Dünnschichten kein stabiles Schalten zeigen. Es wird ein diodenartiger Transportmechanismus, der im hochohmigen Zustand auf Schottkyemission beruht und ihm niederohmigen Zustand durch defektassistierten Tunnelstrom dominiert wird, identifiziert. Daraus wurde ein neues Modell für das resistive Schalten, basierend auf dem TiSr Defekt und der induzierten Ferroelektrizität, entwickelt. / In this work, the impact of crystal defects on the resistive switching materials SrTiO3 and NbO2 is investigated. The work is divided into two parts. In the first part, NbO2 (001) thin films are studied. So far, resistivities measured for NbO2 thin films in the insulating phase are by a factor of 200 lower than the 10 kΩ cm resistivity measured in NbO2 single crystals. To make this material applicable for resistive switching, the resistivity in the insulating phase has to be increased to effectively block the current in the high resistive state. Throughout the investigations presented in this work, the resistivity of NbO2 thin films is increased to 945 Ω cm. It is shown that conductive percolation paths along the grain boundaries are responsible for the decrease in resistivity. Temperature-dependent conductivity measurements identified defect states responsible for the reduction in resistivity from the theoretical value. In the second part of this work, the influence of the Ti anti-site defect on resistive switching in SrTiO3 thin films grown by metal-organic vapor phase epitaxy is studied. Both stoichiometric and strontium deficient thin films are studied. It is shown via temperature-dependent permittivity measurements that crystal defects harden the soft phonon mode and polar nano regions are formed in highly strontium deficient films, which was attributed to the formation of Ti antisite defects. In addition, highly strontium deficient SrTiO3 films are shown to exhibit stable resistive switching with an on-off ratio of 2e7 at 10 K, whereas stoichiometric thin-films do not show stable switching. A diode-like transport mechanism based on Schottky emission in the high-resistance state and dominated by defect-assisted tunneling current in the low-resistance state is identified. From this, a new model for resistive switching based on the Ti antisite defect and the induced ferroelectricity is developed.

The electric-field-driven and reversible polarization switching in ferroelectric materials provides a promising approach for nonvolatile information storage. With the advent of ferroelectricity in hafnium oxide, it has become possible to fabricate ultrathin ferroelectric films suitable for nanoscale electronic devices. Among them, ferroelectric field-effect transistors (FeFETs) emerge as attractive memory elements. While the binary switching between the two logic states, accomplished through a single voltage pulse, is mainly being investigated in FeFETs, additional and unusual switching mechanisms remain largely unexplored. In this work, we report the natural property of ferroelectric hafnium oxide, embedded within a nanoscale FeFET, to accumulate electrical excitation, followed by a sudden and complete switching. The accumulation is attributed to the progressive polarization reversal through localized ferroelectric nucleation. The electrical experiments reveal a strong field and time dependence of the phenomenon. These results not only offer novel insights that could prove critical for memory applications but also might inspire to exploit FeFETs for unconventional computing.

In den kommenden Jahren ist eine deutliche Erhöhung des digitalen Speicherbedarfs zu erwarten, was neue Anforderungen an künftige Speichertechnologien und –architekturen bringt. Hafniumoxid ist aktuell das Standard-Gatedielektrikum für Transistoren in der Halbleitertechnologie und wird in resistiven und ferroelektrischen Speichern eingesetzt, die für kommende Speichergenerationen geeignet sind. In dieser Arbeit wird die Kombination aus resistiven und ferroelektrischen Speichermechanismen untersucht. Zunächst konnte gezeigt werden, dass sich beide Schaltvorgänge in einer Zelle realisieren lassen. Dazu wurde eine polykristalline, ferroelektrische Hafniumoxidschicht in eine Kondensatorstruktur mit unterschiedlichen Elektroden gebracht. Der reversible resistive und ferroelektrische Schaltvorgang beruht auf einer Zurücksetz-Operation in einen sehr hochohmigen Zustand, wodurch die Oxidschicht für weiteres ferroelektrisches Schalten genutzt werden konnte. Zusätzlich wurde der Einfluss von Sauerstofffehlstellen auf die resistiven Formier- und Schreibspannungen nachgewiesen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden ferroelektrische Tunnelkontakte (engl. FTJ) hergestellt und systematisch auf ihre Schalt- und Speichereigenschaften untersucht. Diese beruhen auf der Informationsspeicherung in der ferroelektrischen Hafniumzirkoniumoxid-Schicht (HZO) und auf einem resistiven Auslesemechanismus, bei dem der Tunnelstrom für den jeweiligen Polarisationszustand gemessen wird. Dieser Lesevorgang ist nichtdestruktiv. Für den quantenmechanischen Tunnelvorgang sind dünne Oxidschicht notwendig, um einen ausreichend hohen Tunnelstrom zu erreichen. HZO-basierte Schichten verlieren ihre ferroelektrischen Eigenschaften unter einer kritischen Schichtdicke, die für einen klassischen Metall-Ferroelektrikum-Metall-Tunnelkontakt zu hoch ist. Dazu wurde in dieser Arbeit der Ansatz gewählt, zusätzlich eine dielektrische Aluminiumoxid-Tunnelbarriere in die Struktur einzubringen. Dadurch können die ferroelektrische und dielektrische Schicht unabhängig voneinander optimiert werden (2-lagiger ferroelektrischer Tunnelkontakt). Es konnte gezeigt werden, dass nur in einem bestimmten Dielektrikums-Schichtdickenbereich zwischen etwa 2-2,5nm das gewünschte Tunnelverhalten der Struktur hervortritt. Beim Setzen der jeweiligen Polarisationszustände tritt in der Schaltkinetik der bekannte Zeit-Amplituden-Kompromiss auf. Dieser wurde mithilfe des nukleationslimierten Schaltmodells untersucht. Über eine geeignete Wahl von Pulsdauer und –amplitude können durch Teilpolarisation Zwischenzustände gespeichert werden. Die Zyklenfestigkeit zeigt ein stärkeres Aufwachverhalten als die reine HZO-Schicht. Es konnte gezeigt werden, dass der Auslesetunnelstroms direkt mit dem Anstieg der remanenten Polarisation korreliert und somit das Speicherfenster mit einem An/Aus-Verhältnis von 10 erst nach etwa 10^2 Schaltzyklen vollständig geöffnet ist. Die Datenhaltung zeigte nur ein marginales Speicherfenster bei Extrapolation auf 10 Jahre. Die Datenhaltung konnte durch Abscheidung von Titannitrid- und Platin-Metallelektroden mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten stabilisiert werden. Damit ließ sich das Speicherfenster deutlich erhöhen. Die Möglichkeit, Zwischenzustände speichern und graduell einzustellen zu können, erlaubt die Nutzung der zweilagigen FTJs als künstliche Synapsen. Dazu wurde über verschiedene Pulsfolgen der veränderliche Tunnelwiderstand als synaptisches Gewicht interpretiert. Damit konnte Potenzierung- und Depressionsverhalten der künstlichen Synapse emuliert werden.:Danksagung I Kurzzusammenfassung II Abstract III Symbolverzeichnis VI Abkürzungsverzeichnis IX 1 Einführung und Motivation 1 2 Grundlagen 4 2.1 Dielektrizität und Ferroelektrizität 4 2.2 Ferroelektrizität in HfO2 9 2.3 Arten ferroelektrischer Speicher 13 2.3.1 Ferroelektrischer Kondensator 13 2.3.2 Ferroelektrischer Feldeffekttransistor 15 2.3.3 Ferroelektrischer Tunnelkontakt 16 2.4 Überblick über resistive Speicher 24 3 Experimentelle Methoden 28 3.1 Physikalische Charakterisierung 28 3.1.1 Röntgendiffraktometrie unter streifendem Einfall 28 3.1.2 Röntgenreflektometrie 28 3.1.3 Transmissionselektronenmikroskopie 29 3.2 Elektrische Untersuchungsmethoden 29 3.2.1 Elektrische Messung resistiver Schaltkurven 29 3.2.2 Dynamische Hysteresekurven und Messung der Zyklenfestigkeit 29 3.2.3 Elektrische Messung der ferroelektrischen Tunnelkontakte 30 3.3 Abscheideverfahren zur Herstellung der Kondensatorstrukturen 31 3.3.1 Reaktives Magnetronsputtern 32 3.3.2 Elektronenstrahlverdampfung und Thermisches Verdampfen 32 3.3.3 Atomlagenabscheidung 33 4 Resistives und ferroelektrisches Schalten in einer Zelle 34 4.1 Resistives Schalten in amorphem und kristallinem HfO2 34 4.2 Kombination von resistivem und ferroelektrischem Schalten in einer Struktur 38 5 Ferroelektrische Tunnelkontakte 46 5.1 Charakterisierung der ferroelektrischen Hafniumzirkoniumoxid-Schicht 46 5.2 Übersicht und Aufbau der untersuchten Proben 50 5.3 (Ferro-)Elektrische Eigenschaften und Schichtdickenoptimierung der FE/DE-FTJs 53 5.3.1 Einfluss der Al2O3-Schichtdicke 60 5.3.2 Skalierbarkeit 64 5.4 Schaltkinetik 67 5.5 Zyklenfestigkeit 78 5.6 Datenhaltung 87 5.6.1 Einfluss von Depolarisationsfeldern in zweilagigen FTJs 87 5.6.2 Optimierung durch Elektroden mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten 93 5.7 Anwendung von FTJs als künstliche Synapse in gepulsten neuronalen Netzen 97 5.8 Vergleich, Ausblick und weiterführende Verbesserung des Bauelements 105 6 Zusammenfassung und Ausblick 109 Literaturverzeichnis XI Curriculum Vitae XXXVIII Publikationsliste XL Selbstständigkeitserklärung XLIII

Entirely soft robots with animal-like behavior and integrated artificial nervous systems will open up totally new perspectives and applications. To produce them we must integrate control and actuation in the same soft structure. Soft actuators (e.g. pneumatic, and hydraulic) exist but electronics are hard and stiff and remotely located. We present novel soft, electronicsfree dielectric elastomer oscillators, able to drive bioinspired robots. As a demonstrator we present a robot that mimics the crawling motion of the caterpillar, with integrated artificial nervous system, soft actuators and without any conventional stiff electronic parts. Supplied with an external DC voltage, the robot autonomously generates all signals necessary to drive its dielectric elastomer actuators, and translates an in-plane electromechanical oscillation into a crawling locomotion movement. Thereby, all functional and supporting parts are made of polymer materials and carbon. Besides the basic design of this first electronic-free, biomimetic robot we present prospects to control the general behavior of such robots. The absence of conventional stiff electronics and the exclusive use of polymeric materials will provide a large step towards real animal-like robots, compliant human machine interfaces and a new class of distributed, neuron-like internal control for robotic systems.

Mikroemulsionen sind thermodynamisch stabile, makroskopisch einphasige Mischungen aus Wasser, Öl und einem Tensid – sowie ggf. einem Cotensid –, die in drei verschiedenen Strukturen existieren: als Wasser-in-Öl- (W/O), Öl-in-Wasser- (O/W) und bikontinuierliche Mikroemulsionen mit schwammartiger Struktur. Die zwei zuletzt genannten Mikroemulsionstypen sind elektrisch leitfähig, wenn sie Ionen enthalten, wohingegen W/O-Mikroemulsionen fast nicht leitfähig sind. Demnach steigt die elektrische Leitfähigkeit stark an, wenn die Mikroemulsion von der W/O- in die bikontinuierliche Struktur übergeht. Diese Umwandlung wird als Perkolation bezeichnet und kann ausgelöst werden, indem die Zusammensetzung oder, in Systemen nahe der Perkolationsschwelle, die Temperatur verändert wird. Die entsprechende Umwandlungstemperatur im zweiten Fall wird als Perkolationstemperatur bezeichnet. Mikroemulsionen aus AOT, Isooctan und Wasser im Massenverhältnis 1 : 2,5 : 2 perkolieren bei Temperaturerhöhung. Kleine Mengen bestimmter Substanzen, die in der Mikroemulsion solubilisiert werden, beeinflussen die Perkolationstemperatur. Untersucht wurden die Solubilisate Azobenzen und Azobenzen-15-Krone-5, die photochemisch trans-cis-isomerisieren. Je höher der Gehalt an solubilisiertem Azobenzen in der Mikroemulsion ist, desto weiter steigt die Perkolationstemperatur, im untersuchten Konzentrationsbereich um fast 20 K. Azobenzen-15-Krone-5 dagegen senkt die Perkolationstemperatur mit zunehmendem Gehalt, erreicht wurden Perkolationstemperaturverschiebungen von nahezu −7 K. Unter Bestrahlung, d. h., nachdem ein Teil des Solubilisates photochemisch von der trans- in die cis-Form isomerisiert ist, perkoliert die Mikroemulsion bei niedrigeren Temperaturen als im Dunkeln. Dies gilt für beide Solubilisate, der Effekt von Azobenzen ist dabei jedoch größer als der von Azobenzen-15-Krone-5. Die größte beobachtete Perkolationstemperaturverschiebung unter Bestrahlung beträgt etwa −5 K. Wird eine Mikroemulsion mit solubilisiertem Azobenzen unterhalb ihrer Perkolationstemperatur mit langwelligem UV-Licht bestrahlt, isomerisiert das enthaltene Azobenzen. Die Perkolationstemperatur sinkt und unterschreitet die Reaktionstemperatur. Die Struktur der Mikroemulsion ändert sich von Wasser-in-Öl zu bikontinuierlich, ihre elektrische Leitfähigkeit steigt während der Bestrahlung von fast null auf etwa 1000 μS/cm. Nach dem Ausschalten des Bestrahlungslichtes läuft der beschriebene Vorgang in die umgekehrte Richtung ab und die Mikroemulsion wird wieder nichtleitend. Auf diese Weise kann der Zustand der Mikroemulsion geschaltet werden: unter Bestrahlung von fast nichtleitend auf elektrisch leitend und anschließend im Dunkeln von elektrisch leitfähig auf nahezu nicht leitfähig. Der Schaltvorgang kann bis zu zehnmal hintereinander durchgeführt werden, ohne dass die Schaltfähigkeit der Mikroemulsion nachlässt.

Mikroemulsionen sind thermodynamisch stabile, makroskopisch einphasige Mischungen aus Wasser, Öl und einem Tensid – sowie ggf. einem Cotensid –, die in drei verschiedenen Strukturen existieren: als Wasser-in-Öl- (W/O), Öl-in-Wasser- (O/W) und bikontinuierliche Mikroemulsionen mit schwammartiger Struktur. Die zwei zuletzt genannten Mikroemulsionstypen sind elektrisch leitfähig, wenn sie Ionen enthalten, wohingegen W/O-Mikroemulsionen fast nicht leitfähig sind. Demnach steigt die elektrische Leitfähigkeit stark an, wenn die Mikroemulsion von der W/O- in die bikontinuierliche Struktur übergeht. Diese Umwandlung wird als Perkolation bezeichnet und kann ausgelöst werden, indem die Zusammensetzung oder, in Systemen nahe der Perkolationsschwelle, die Temperatur verändert wird. Die entsprechende Umwandlungstemperatur im zweiten Fall wird als Perkolationstemperatur bezeichnet. Mikroemulsionen aus AOT, Isooctan und Wasser im Massenverhältnis 1 : 2,5 : 2 perkolieren bei Temperaturerhöhung. Kleine Mengen bestimmter Substanzen, die in der Mikroemulsion solubilisiert werden, beeinflussen die Perkolationstemperatur. Untersucht wurden die Solubilisate Azobenzen und Azobenzen-15-Krone-5, die photochemisch trans-cis-isomerisieren. Je höher der Gehalt an solubilisiertem Azobenzen in der Mikroemulsion ist, desto weiter steigt die Perkolationstemperatur, im untersuchten Konzentrationsbereich um fast 20 K. Azobenzen-15-Krone-5 dagegen senkt die Perkolationstemperatur mit zunehmendem Gehalt, erreicht wurden Perkolationstemperaturverschiebungen von nahezu −7 K. Unter Bestrahlung, d. h., nachdem ein Teil des Solubilisates photochemisch von der trans- in die cis-Form isomerisiert ist, perkoliert die Mikroemulsion bei niedrigeren Temperaturen als im Dunkeln. Dies gilt für beide Solubilisate, der Effekt von Azobenzen ist dabei jedoch größer als der von Azobenzen-15-Krone-5. Die größte beobachtete Perkolationstemperaturverschiebung unter Bestrahlung beträgt etwa −5 K. Wird eine Mikroemulsion mit solubilisiertem Azobenzen unterhalb ihrer Perkolationstemperatur mit langwelligem UV-Licht bestrahlt, isomerisiert das enthaltene Azobenzen. Die Perkolationstemperatur sinkt und unterschreitet die Reaktionstemperatur. Die Struktur der Mikroemulsion ändert sich von Wasser-in-Öl zu bikontinuierlich, ihre elektrische Leitfähigkeit steigt während der Bestrahlung von fast null auf etwa 1000 μS/cm. Nach dem Ausschalten des Bestrahlungslichtes läuft der beschriebene Vorgang in die umgekehrte Richtung ab und die Mikroemulsion wird wieder nichtleitend. Auf diese Weise kann der Zustand der Mikroemulsion geschaltet werden: unter Bestrahlung von fast nichtleitend auf elektrisch leitend und anschließend im Dunkeln von elektrisch leitfähig auf nahezu nicht leitfähig. Der Schaltvorgang kann bis zu zehnmal hintereinander durchgeführt werden, ohne dass die Schaltfähigkeit der Mikroemulsion nachlässt.