Memristor, defined as a two-terminal device which exhibits a pinched hysteresis loop in the current-voltage characteristics, is a main component of the resistive random access memory. Both memristor and memristive phenomena, known also as resistive switching (RS), have been thoroughly investigated in the past nearly two decades. This dissertation investigates YMnO3 thin films and explores a new concept concerning utilization of multiferroic properties for activation and/or enhancement of RS. It is hypothesized that the charged domain walls and/or vortex cores in YMnO3 thin films can act as an effective nanoscale features which support formation of the conductive filaments and, in consequence, enable development of an electroforming-free memristive structure. Results of the electrical characterization of YMnO3-based metal-insulator-metal structures indicate that hexagonal YMnO3 films deposited on metal-coated oxide substrate exhibit electroforming-free unipolar resistive switching (URS) while orthorhombic YMnO3 films grown on the doped oxide substrate show bipolar resistive switching (BRS). Observed URS is assigned to the formation and rupture of conductive, metallic-like filaments induced by the thermo-chemical phenomena. Results of polarity-dependent studies reveal that formation of conductive filaments proceeds in the electrostatic discharge event which is followed by their irreversible rupture during the reset process. Main properties of the observed URS include very good retention of programmed states, large memory window (between 10E+2 and 10E+4), high voltage and current required for set and reset, respectively, and low endurance. BRS is attributed to the complementary electronic and ionic processes within the p-n junction formed at the interface between p-YMnO3 and n-type oxide substrate. Results of ferroelectric characterization reveal that resistively switching YMnO3 films do not exhibit ferroelectric properties. Therefore, observed RS in YMnO3-based structures can not be directly related to the presence of charged domain walls and/or multiferroic vortex cores. Prospective functionality extension of YMnO3-based memristive devices is developed and presented on the example of photodetecting properties of metal-YMnO3-insulator-semiconductor stacks. Studies conducted within the framework of this doctoral dissertation investigate the resistive switching behaviour of YMnO3-based junctions. Obtained results contribute to the better understanding of the resistive switching and failure mechanisms in ternary oxides, and provide hints toward device engineering. / Der Memristor ist definiert als eine Zweipol-Vorrichtung, die eine hysteretische Strom-Spannungs-Charakteristik aufweist. Memristoren sind nichtflüchtige Widerstandsspeicher, deren elektrischer Widerstand mittels elektrischer Spannungspulse verändert werden kann. Sowohl Memristoren als auch memristive Widerstandsschalter (RS) werden seit mehr als zwei Jahrzehnten intensiv untersucht. Diese Dissertation untersucht YMnO3-Dünnschichten mit zirkularen Vorderseiten-Elektroden und unstrukturierten Rückseiten-Elektroden und erforscht ein neues Konzept über die Nutzung der multiferroischen Eigenschaften für die Aktivierung und/oder Verbesserung des memristiven Verhaltens. Es wird angenommen, dass die geladenen Domänenwände und/oder Vortices in YMnO3-Dünnschichten die Bildung leitfähiger Filamente wirksam unterstützt und folglich die Entwicklung eines neuartigen, formierungs-freiem Widerstandsspeichersermöglicht. Die Ergebnisse der elektrischen Charakterisierung von YMnO3-basierten Widerstandsschalter zeigen unipolares RS (URS), wenn eine metallische Rückseitenelektrode verwendet wird und bipolares RS (BRS), wenn als Rückseitenelektrode ein metallisch leitendes Oxid-Substrat verwendet werden. Das URS wird als thermochemisches RS klassifiziert und mit der Bildung und Auflösung metallisch leitender Filamente korreliert. Das BRS wird auf das Einfangen/Freigeben von Defekten in der Raumladungszone des YMnO3 im pn-Übergang von p-YMnO3/n-Nb:SrTiO3-Strukturen zurückgeführt. Die wichtigsten Eigenschaften des formierungsfreien URS sind die sehr gute Retention der programmiertenWiderstandszustände, große Speicherfenster (zwischen 10E+2 und 10E+4), die hohe Schreibspannung für den Set-Prozess und der hohe Schreibstrom für den Reset-Prozess. Die Endurance ist aufgrund der Degradation des Vorderseiten-Elektrode gering. Die Ergebnisse des polaritätsabhängigen Widerstandsschaltens zeigen, dass der Set-Prozess mit elektrostatischer Entladung einhergeht. Die ferroelektrische Charakterisierung zeigt, dass die YMnO3–Dünnfilme keine ferroelektrischen Eigenschaften aufweisen. Daher kann das beobachtete URS nicht direkt auf die Anwesenheit von geladenen Domänenwände und Vortices zurückgeführt werden. Darüberhinaus wurden die photodetektierenden Eigenschaften von Metall-YMnO3-Isulator-Halbleiter-Stacks als potenzielle Erweiterung der Funktionalität von YMnO3-basierten memristiven Bauelementen vorgestellt und vorgeschlagen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde das Widerstandsschalten von multiferroischen, YMnO3-basierten Widerstandsschaltern untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis des Widerstandsschaltens von multiferroischen Materialien bei.

Seit 1996 wird von Prof. Dr.-Ing. habil. Gerald Gerlach die Buchreihe „Dresdner Beiträge zur Sensorik“ herausgegeben, in der herausragende wissenschaftliche Beiträge der Technischen Universität Dresden, insbesondere auch des Institutes für Festkörperelektronik, publiziert werden. Zu den bisher vorliegenden Bänden sind seitdem weitere Bände hinzugekommen. Das Profil des Institutes wird durch folgende Forschungsgebiete geprägt: Thermische Infrarotsensoren, Piezoresistive Sensoren auf der Basis quellfähiger Hydrogele, Ultraschalltechnik, Funktionelle Dünnschichten, Nanoptische Sensoren. Mit der Berufung von Prof. Dr.-Ing. habil. Gerald Gerlach auf den Lehrstuhl für Festkörperelektronik zum 01.01.1996 wurde das Spektrum der Forschungsarbeiten insbesondere um die Fachgebiete der Siliziumsensoren für unterschiedliche Meßgrößen und des Entwurfs komplexer Sensor- und Aktor-Systeme in der Mikrosystemtechnik erweitert. Das Zusammenwirken von Physik, Elektronik und Technologie der Mikroelektronik bei Forschung, Entwicklung und Fertigung sowie Applikation leistungsfähiger Sensoren ist Gegenstand von Lehre und Forschung des IFE. / Since 1996 the book series „Dresdner Beiträge zur Sensorik“ edited by Prof. Dr.-Ing. habil. Gerald Gerlach has been published. The aim of this series is the publication of outstanding scientific contributions of TU Dresden, especially of those compiled at the Institute for Solid-State Electronics. The Solid-State Electronics Laboratory (Institut für Festkörperelektronik - IFE) is one of 12 laboratories of the Electrical and Computer Engineering Department at Technische Universität Dresden. Together with the Semiconductor Technology and Microsystems Lab and several chairs of the Circuits and Systems and the Packaging Labs, the Solid-State Electronics Laboratory is responsible for the microelectronics specialization in the Electrical Engineering program. Research and teaching field of the Institute for Solid-State Electronics are dedicated to the interaction of physics, electronics and (microelectronics) technology in: materials research, technology, and solid state sensor operational principles, application of sensors for special measurement problems, design of sensors and sensor systems including the simulation of components as well as of complex systems, development of thin films and multilayer stacks for sensor applications, application of ultrasound for nondestructive evaluation, medical diagnostics and process measurement technology.

Vertically rolled-up microcavities are fabricated using differentially strained nanomembranes by employing rate and temperature gradients during electron beam evaporation of SiO2. The geometry of the rolled-up tubes is defined by a photo-lithographically patterned polymer sacrificial layer beneath the SiO2 layers that is dissolved to start the rolling. Rolled-up tubes support resonances formed by constructive interference of light propagating along the circumference. Optical studies are performed in the visible spectral range using a micro-photoluminescence (µPL) setup to excite and detect optical modes. Record high quality factors (Q factors) of 5400 for rolled-up resonators probed in PL-emission mode are found and their limits are theoretically investigated. Axial modes can also be supported when an increased winding number in the center is realized by appropriate pattern designs. In addition, higher order radial modes can be confined when atomic layer deposition (ALD) coatings are applied. Both types of modes are identified using polarization and spatially resolved µPL maps. Evanescent-wave coupling by tapered fibers and tubes on substrates is the second method used to study light confinement and to demonstrate frequency filtering in ALD coated rolled-up microcavities. Scans are performed by monitoring light from a tunable laser in the range of 1520-1570 nm after transmission through the tapered fiber. Dips in the spectrum are found and attributed to fundamental and axial resonant modes. Moreover, by coupling two tapered fibers to a lifted rolled-up microcavity, a four-port add-drop filter is demonstrated as a future component for vertical resonant light transfer in on-chip optical networks. Simulations show that the subwavelength tube wall thickness limits the Q factor at infrared wavelengths and ALD coatings are necessary to enhance the light confinement. After coating, two linear polarization states are found in experiment and fundamental and axial modes can be selectively excited by coupling the fiber to different positions along the tube axis. Spatially and polarization resolved transmission maps reveal a polarization dependent axial mode distribution which is verified theoretically. The results of this thesis are important for lab-on-chip applications where rolled-up microcavities are employed as high resolution optofluidic sensors as well as for future uses as waveguide coupled components in three-dimensional multi-level optical data processing units to provide resonant interlayer signal transfer.

Surface texturization of Transparent Conductive Oxides (TCOs) is a well-known strategy to enhance the light-trapping capabilities of thin-film solar cells and thus, to increase their power conversion efficiency. Herein, the surface modification of fluorine-doped tin oxide (FTO) using picosecond infrared direct laser interference patterning (DLIP) is presented. The surface characterization exhibits periodic microchannels, which act as diffraction gratings yielding an increase in the average diffuse transmittance up to 870% in the spectral range of 400–1000 nm. Despite the one dimensionality of the microstructures, the films did not acquire a significant anisotropic electrical behavior, but a partial deterioration of their conductivity is observed as a result of the removal of conductive material. This work proposes the feasibility of trading off a portion of the electrical conductivity to obtain a substantial improvement in the optical performance.

Ferroelectric field effect transistor (FeFET) memories based on a new type of ferroelectric material (silicon doped hafnium oxide) were studied within the scope of the present work. Utilisation of silicon doped hafnium oxide (Si:HfO2) thin films instead of conventional perovskite ferroelectrics as a functional layer in FeFETs provides compatibility to the CMOS process as well as improved device scalability. The influence of different process parameters on the properties of Si:HfO2 thin films was analysed in order to gain better insight into the occurrence of ferroelectricity in this system. A subsequent examination of the potential of this material as well as its possible limitations with the respect to the application in non-volatile memories followed. The Si:HfO2-based ferroelectric transistors that were fully integrated into the state-of-the-art high-k metal gate CMOS technology were studied in this work for the first time. The memory performance of these devices scaled down to 28 nm gate length was investigated. Special attention was paid to the charge trapping phenomenon shown to significantly affect the device behaviour.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Non-volatile semiconductor memories 2.2 Emerging memory concepts 2.3 Ferroelectric memories 3 Characterisation methods 3.1 Memory characterisation tests 3.2 Ferroelectric memory specific characterisation tests 3.3 Trapping characterisation methods 3.4 Microstructural analyses 4 Sample description 4.1 Metal-insulator-metal capacitors 4.2 Ferroelectric field effect transistors 5 Stabilisation of the ferroelectric properties in Si:HfO2 thin films 5.1 Impact of the silicon doping 5.2 Impact of the post-metallisation anneal 5.3 Impact of the film thickness 5.4 Summary 6 Electrical properties of the ferroelectric Si:HfO2 thin films 6.1 Field cycling effect 6.2 Switching kinetics 6.3 Fatigue behaviour 6.4 Summary 7 Ferroelectric field effect transistors based on Si:HfO2 films 7.1 Effect of the silicon doping 7.2 Program and erase operation 7.3 Retention behaviour 7.4 Endurance properties 7.5 Impact of scaling on the device performance 7.6 Summary 8 Trapping effects in Si:HfO2-based FeFETs 8.1 Trapping kinetics of the bulk Si:HfO2 traps 8.2 Detrapping kinetics of the bulk Si:HfO2 traps 8.3 Impact of trapping on the FeFET performance 8.4 Modified approach for erase operation 8.5 Summary 9 Summary and Outlook

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Am Beispiel von ferroelektrischen Systemen auf Bismut-Basis (Bismutmolybdat, Bismutwolframat und Bismuttitanat) und von Strontiumbariumniobat werden neue Möglichkeiten zur Synthese solcher Nanopartikel aufgezeigt. Die Integration der Nanopartikel in transparente Nanokompositmaterialien und die Entwicklung neuer Precursoren für die Herstellung von Dünnschichtproben gehen den Untersuchungen zur Anwendung als elektrooptische aktive Materialien voraus. Durch weitere Anwendungsmöglichkeiten in der Photokatalyse, dem Test dampfadsorptiver Eigenschaften mit Hilfe eines neuartigen Adsorptionstesters (Infrasorb) und auch mit Hilfe der Ergebnisse der ferroelektrischen Charakterisierung von gesinterten Probenkörpern aus einem Spark-Plasma-Prozess wird ein gesamtheitlicher Überblick über die vielfältigen Aspekte in der Arbeit mit nanoskaligen, ferroelektrischen Materialien gegeben.:Inhaltsverzeichnis...........................................................................................................5 Abkürzungsverzeichnis ...................................................................................................9 1. Motivation....................................................................................................................11 2. Stand der Forschung und theoretischer Teil ...............................................................14 2.1. Nanoskalige Materialien...........................................................................................15 2.1.1. Nanopartikel und Nanokompositmaterialien ....................................................... 15 2.1.2. Dünnschichten..................................................................................................... 21 2.1.3. Anwendungen in der Photokatalyse.................................................................... 22 2.1.4. Anwendungen in der Gas- und Dampfsensorik.................................................... 24 2.2. Ferroelektrika .........................................................................................................26 2.2.1. Bismutmolybdat................................................................................................... 32 2.2.2. Bismutwolframat.................................................................................................. 34 2.2.3. Bismuttitanat ....................................................................................................... 36 2.2.4. Strontiumbariumniobat......................................................................................... 37 2.3. Verwendete Methoden.............................................................................................40 2.3.1. Spark-Plasma-Sintering ........................................................................................40 2.3.2. Bestimmung ferroelektrischer Eigenschaften ...................................................... 42 2.3.3. Charakterisierung nichtlinearer, elektrooptischer Eigenschaften......................... 43 3. Experimenteller Teil ....................................................................................................51 3.1. Synthesevorschriften................................................................................................52 3.1.1. Verwendete Chemikalien und Substrate.............................................................. 52 3.1.2. Solvothermalsynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W)................................................... 55 3.1.3. Phasentransfersynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W)............................................... 56 3.1.4. Präparation von Bi2MO6/PLA Nanokompositmaterialien (M = Mo, W) ................... 57 3.1.5. Sol-Gel-Synthese von Bi2MO6 (M = Mo, W), Bi4Ti3O12 und Ba0.25Sr0.75Nb2O6 und Dünnschichten..................... 57 3.1.6. Mikroemulsionssynthese von Bi4Ti3O12 ............................................................... 59 3.1.7. Sol-Gel-Synthese von Bi2Ti2O7............................................................................. 60 3.1.8. Synthese von BiOH(C2O4), BiOCH3COO und Bi(CH3COO)3................................... 61 3.2. Vorschriften zur Durchführung und Charakterisierung...............................................62 3.2.1. Verwendete Geräte und Einstellungen ................................................................ 62 3.2.2. Spark Plasma Sintering von Bi2MO6 (M = Mo,W) und Bestimmung ferroelektrischer Eigenschaften ........................ 65 3.2.3. Prüfung elektrooptischer Eigenschaften, Präparation der Bauteile und Messaufbau .............................................. 67 3.2.4. Durchführung photokatalytischer Messungen ....................................................... 69 3.2.5. Messung der Dampfadsorption an Nanopartikeln mit Hilfe berührungsloser Detektion ........................................... 70 4. Ergebnisse und Diskussion...........................................................................................71 4.1. Synthese und Eigenschaften von nanoskaligen Materialien......................................72 4.1.1. Synthese von Bi2MO6 (M = Mo, W) Nanopartikeln................................................. 72 4.1.2. Nanokompositmaterialien mit Bi2MO6 (M = Mo, W)................................................ 81 4.1.3. Synthese der Bismuttitanate Bi4Ti3O12 und Bi2Ti2O7 .......................................... 84 4.1.4. Herstellung von Dünnschichten der Systeme Bi2MO6 (M = Mo, W), Bi4Ti3O12 und Sr0.75Ba0.25Nb2O6 ................. 88 4.2. Funktion der nanoskaligen Materialien .....................................................................100 4.2.1. Bismuthaltige Nanopartikel in der Photokatalyse ..................................................100 4.2.2. Spark-Plasma-Sintern von Bi2MO6-Nanopartikel (M = Mo, W)................................103 4.2.3. Elektrooptische Eigenschaften von Dünnschichten und Kompositmaterialien ............................................................108 4.2.4. Messung der Dampfadsorption an Bi2MO6 (M = Mo, W)-Nanopartikeln mit Hilfe berührungsloser Detektion ............114 4.3. Synthese von BiOH(C2O4), BiO(CH3COO) und Bi(CH3COO)3....................................118 5. Zusammenfassung ......................................................................................................127 6. Ausblick .......................................................................................................................131 7. Literatur ......................................................................................................................132 8. Abbildungs- und Tabellenverzeichnis ..........................................................................146 8.1. Abbildungsverzeichnis...............................................................................................146 8.2. Tabellenverzeichnis...................................................................................................152 9. Anhang ........................................................................................................................154 9.1. Synthese und Eigenschaften von nanoskaligen Materialien......................................155 9.1.1. Solvothermalsynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W).....................................................155 9.1.2. Phasentransfersynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W).................................................156 9.1.3. Synthese der Bismutmolybdate Bi4Ti3O12 und Bi2Ti2O7 .......................................156 9.1.4. Herstellung von Dünnschichten der Systeme Bi2MO6 (M = Mo, W), Bi4Ti3O12 und Sr0.75Ba0.25Nb2O6 .................159 9.2. Funktion der nanoskaligen Materialien ......................................................................164 9.2.1. Spark-Plasma-Sintern..............................................................................................164 9.2.2. Elektro-optische Eigenschaften von Dünnschichten und Kompositmaterialien .........................................................166 9.2.3. Messung der Dampfadsorption an Bi2MO6 (M = Mo, W)-Nanopartikeln mit Hilfe berührungsloser Detektion ...........174 9.3. Synthese von BiOH(C2O4), BiO(CH3COO) und Bi(CH3COO)3.....................................175 9.3.1. DTA-TG-Ergebnisse .................................................................................................175 9.3.2. Kristalldaten und Strukturverfeinerung ...................................................................177 9.4. Quelltexte ..................................................................................................................181 9.4.1. MATLAB-Skript zur Auswertung elektrooptischer Koeffizienten................................181 9.4.2. MATLAB-Skript zur Auswertung dampfadsorptiver Eigenschaften............................182