The thesis deals with emulating higher-order elements using the transformation mutators, which were described by Leon Chua in 1971. The procedure of designing mutators from their mathematical description to the synthesis of concrete electrical circuits is described. The circuit solutions are based on the utilization of advanced circuit principles in order to achieve optimal circuit performance. Mutators are implemented as a set of eight incremental modules. Via their cascade connection, it is possible to emulate arbitrary elements from the periodical table of higher-order elements. The proposed solutions are tested by means of computer simulations and also verified by measurements.

Neuromorphic computing applications could be made faster and more power efficient by emulating the function of a biological synapse. Non-conventional spintronic devices have been proposed that demonstrate synaptic behavior through domain wall (DW) driving. In this work, current induced domain wall motion has been studied through micromagnetic simulations. We investigate the synaptic behavior of a head to head domain wall driven by a spin polarized current in permalloy (Py) nanostrips with shape anisotropy, where triangular notches have been modeled to account for edge roughness and provide pinning sites for the domain wall. We seek optimal material parameters to keep the critical current density for driving the domain wall at order 1011 A/m2.

С помощью оборудования National Instruments реализованы две установки для нанесения органических покрытий. Установка термовакуумного нанесения с виртуальным прибором «ThermoVac» позволяет производить линейный нагрев испаряемого вещества с фиксированной скоростью до заданной температуры термостатирования в диапазоне от комнатной до 500 °C. Установка для нанесения методом центрифугирования с ВП «SC_organic» позволяет поддерживать заданную скорость вращения подложки в диапазоне от 500 до 9000 об/мин. На базе микрозондовой станции Cascade Microtech MPS150 разработан автоматизированный канал для тестирования мемристорных структур, в режиме многократного чтения и записи. ВП «RW MIM» формирует на выходе SMU источника последовательность импульсов заданной амплитуды и длительности в режимах запись/чтение. Выполнено нанесение и аттестация пленок 5,11-диметил-5,11-дигидроиндоло [3.2-b]карбазола и 5,11-дигексил-5,11-дигидроиндоло[3.2-b]карбазола. По измеренным вольтамперным характеристикам получено, что полупроводник в синтезированных структурах TiN/DMICZ/Au, Ti/DMICZ/Au обладает дырочной проводимостью с подвижностью μ = 4.9∙10-7 см2/(В∙с). Показано, что регистрируемая ВАХ характеризуется петлями гистерезиса, которые свидетельствуют о наличии мемристивного эффекта в образцах TiN/DHICZ/Au. Произведено тестирование исследуемых слоистых структур в режимах многократного чтения/записи. / An automated installation based on National Instruments equipment, two installations for applying organic coatings are implemented. The installation of a thermo vacuum evaporation with a virtual device "ThermoVac" allows linear heating of the evaporated substance at a fixed rate of up to 500 ° C. The centrifugal centrifugation unit with an VI “SC_organic” supports the specified rotation speed of the substrate in the range of 500 to 9000 rpm. Based on the microprobe station Cascade Microtech MPS150, an automated channel was developed for testing memristor structures, in the mode of multiple reading and writing. VI "RW MIM" forms a sequence of pulses of the specified amplitude and duration in the write / read modes at the SMU output of the source. The deposition and validation of 5,11-dimethyl-5,11-dihydroindolo [3.2-b] carbazole and 5,11-dihexyl-5,11-dihydroindolo [3.2-b] carbazole films was performed. From the measured volt-ampere characteristics, it was found that the semiconductor in the synthesized TiN / DMICZ / Au, Ti / DMICZ / Au structures has a hole conductivity with a mobility μ = 4.9 ∙ 10-7 cm2/(V∙s). It is shown that the recorded I-V characteristic is characterized by hysteresis loops that indicate the presence of a memorial effect in TiN / DHICZ / Au samples. The testing of layered structures under test in multiple read / write modes was performed.

The size reduction of transistors has been the main reason for a successful development of semiconductor integrated circuits over the last decades. Because of the physically limited downscaling of transistors, alternative technologies namely the information processing and nonvolatile resistive switches (also termed memristors) have come into focus. Memristors reveal a fast switching speed, long retention time, and stable endurance. Nonvolatile analog bipolar resistive switching with a considerable large On/Off ratio is reported in BiFeO3 (BFO)-based resistive switches. So far resistive switches are mainly applied in memory applications or logic operations. Given the excellent properties of BFO based memristors, the further exploration of functionalities for memristive devices is required. A new approach for hardware based cryptographic system was developed within the framework of this dissertation. By studying the power conversion efficiencies on BFO memristor at various harmonics, it has been shown that two sets of clearly distinguishable power ratios are achievable when the BFO memristor is set into high or into low resistance state. Thus, a BFO-based binary encoding system can be established. As an example the unrecoverable seizure information from encoded medical data suggests the proper functioning of the proposed encryption system. Aside from cryptographic functionality, the single pairing spike timing dependent plasticity (STDP) in BFO-based artificial synapses is demonstrated, which can be considered as the cornerstone for energy-efficient and fast hardware-based neuromorphic networks. In comparison to the biological driven realistic way, only single one pairing of pre- and postsynaptic spikes is applied to the BFO-based artificial synapse instead of 60-80 pairings. Thus, the learning time constant of STDP function can be reduced from 25 ms to 125 us. / In den letzten Jahrzehnten war die Größenreduktion von Transistoren einer der Hauptgründe für die Leistungssteigerung von integrierten Halbleiterschaltungen. Aufgrund des physikalisch beschränkten Skalierungspotentials, werden alternative Technologien für Halbleiterschaltungen entwickelt. Dazu zählen neuartige Widerstandsschalter, sogenannte Memristoren, welche wegen ihrer schnellen Schaltgeschwindigkeit, langen Speicherzeit und stabilen Haltbarkeit in den Fokus der Forschung gerückt sind. Das nichtflüchtige analoge bipolare Schalten des Widerstandwertes mit einem On/Off Verhältnis größer als 100 wurde in BiFeO 3 (BFO)-basierten Widerstands-schaltern beobachtet. Bisher wurden Widerstandsschalter hauptsächlich als Speicher oder in rekonfigurierbaren Logikschaltungen verwendet. Aufgrund der ausgezeichneten Eigenschaften von BFO-basierten Memristoren, ist die Untersuchung weiterer neuer Funktionalitäten vielversprechend. Als neuer Ansatz für ein Hardware-basiertes Kryptosystem wird in der vorliegenden Arbeit die Ausnutzung des Leistungsübertragungskoeffizienten in BFO Memristoren vorgeschlagen. Mit Hilfe der unterschiedlichen Oberschwingungen, welche von einem BFO Memristor im ON und OFF Zustand generiert werden, wurde ein Kryptosystem zum Kodieren binärer Daten entwickelt. Ein Test des Hardware-basierten Kryptosystems an Biodaten ergab, dass die kodierten Biodaten keine vorhersagbare Korrelation mehr enthielten. In der vorliegenden Arbeit wurden darüberhinaus BFO-basierte künstliche Synapsen mit einer Aktionspotentials-Intervall abhängigen Plastizität (STDP) für Einzelpulse entwickelt. Diese Einzelpuls-STDP legt den Grundstein für energieffiziente und schnelle neuromorphe Netzwerke mit künstlichen Synapsen. Im Vergleich zu biologischen Synapsen mit einer 60-80-Puls-STDP und einem Lernfenster auf der ms-Zeitskale, konnte das Lernfenster von BFO-basierten künstlichen Synapsen von 25 ms auf 125 μs reduziert werden. Solch ein schnelles Lernen ermöglicht auch die extreme Reduzierung des Leistungsverbrauchs in neuromorphen Netzwerken.

Thin-film transistors (TFTs) are primarily used as a switching element in liquid crystal displays. Currently, amorphous silicon is the dominant TFT technology for displays, but higher performance TFTs will become necessary to enable ultra-definition resolution high-frequency large-area displays. Amorphous zinc tin oxide (ZTO) TFTs were fabricated by RF magnetron sputter deposition. In this study, the effect of both deposition and post annealing conditions have been evaluated in regards to film structure, composition, surface contamination, and device performance. Both the variation of oxygen partial pressure during deposition and the temperature of the post-deposition annealing were found to have a significant impact on TFT properties. X-ray diffraction data indicated that the ZTO films remain amorphous even after annealing to 600° C. Rutherford backscattering spectrometry indicated that the Zn:Sn ratio of the films was ~1.7:1 which is slightly tin rich compared to the sputter target composition. X-ray photoelectron spectroscopy data indicated that the films had significant surface contamination and that the Zn:Sn ratios changed depending on sample annealing conditions. Electrical characterization of ZTO films using TFT test structures indicated that mobilities as high as 17 cm² V⁻¹ s⁻¹ could be obtained for depletion mode devices. It was determined that the electrical properties of ZTO films can be precisely controlled by varying the deposition conditions and annealing temperature. It was found that the ZTO electrical properties could be controlled where insulating, semiconducting and conducting films could be prepared. This precise control of electrical properties allowed us to incorporate sputter deposited ZTO films into resistive random access memory (RRAM) devices. RRAM are two terminal nonvolatile data memory devices that are very promising for the replacement of silicon-based Flash. These devices exhibited resistive switching between high-resistance states to low-resistance states and low-resistance states to high-resistance states depending on polarity of applied voltages and current compliance settings. The device switching was fundamentally related to the defect states and material properties of metal and insulator layers, and their interfaces in the metalinsulator-metal (MIM) structure. / Graduation date: 2012 / Access restricted to the OSU Community at author's request from Jan. 6, 2012 - Jan. 6, 2013

The size reduction of transistors has been the main reason for a successful development of semiconductor integrated circuits over the last decades. Because of the physically limited downscaling of transistors, alternative technologies namely the information processing and nonvolatile resistive switches (also termed memristors) have come into focus. Memristors reveal a fast switching speed, long retention time, and stable endurance. Nonvolatile analog bipolar resistive switching with a considerable large On/Off ratio is reported in BiFeO3 (BFO)-based resistive switches. So far resistive switches are mainly applied in memory applications or logic operations. Given the excellent properties of BFO based memristors, the further exploration of functionalities for memristive devices is required. A new approach for hardware based cryptographic system was developed within the framework of this dissertation. By studying the power conversion efficiencies on BFO memristor at various harmonics, it has been shown that two sets of clearly distinguishable power ratios are achievable when the BFO memristor is set into high or into low resistance state. Thus, a BFO-based binary encoding system can be established. As an example the unrecoverable seizure information from encoded medical data suggests the proper functioning of the proposed encryption system. Aside from cryptographic functionality, the single pairing spike timing dependent plasticity (STDP) in BFO-based artificial synapses is demonstrated, which can be considered as the cornerstone for energy-efficient and fast hardware-based neuromorphic networks. In comparison to the biological driven realistic way, only single one pairing of pre- and postsynaptic spikes is applied to the BFO-based artificial synapse instead of 60-80 pairings. Thus, the learning time constant of STDP function can be reduced from 25 ms to 125 us. / In den letzten Jahrzehnten war die Größenreduktion von Transistoren einer der Hauptgründe für die Leistungssteigerung von integrierten Halbleiterschaltungen. Aufgrund des physikalisch beschränkten Skalierungspotentials, werden alternative Technologien für Halbleiterschaltungen entwickelt. Dazu zählen neuartige Widerstandsschalter, sogenannte Memristoren, welche wegen ihrer schnellen Schaltgeschwindigkeit, langen Speicherzeit und stabilen Haltbarkeit in den Fokus der Forschung gerückt sind. Das nichtflüchtige analoge bipolare Schalten des Widerstandwertes mit einem On/Off Verhältnis größer als 100 wurde in BiFeO 3 (BFO)-basierten Widerstands-schaltern beobachtet. Bisher wurden Widerstandsschalter hauptsächlich als Speicher oder in rekonfigurierbaren Logikschaltungen verwendet. Aufgrund der ausgezeichneten Eigenschaften von BFO-basierten Memristoren, ist die Untersuchung weiterer neuer Funktionalitäten vielversprechend. Als neuer Ansatz für ein Hardware-basiertes Kryptosystem wird in der vorliegenden Arbeit die Ausnutzung des Leistungsübertragungskoeffizienten in BFO Memristoren vorgeschlagen. Mit Hilfe der unterschiedlichen Oberschwingungen, welche von einem BFO Memristor im ON und OFF Zustand generiert werden, wurde ein Kryptosystem zum Kodieren binärer Daten entwickelt. Ein Test des Hardware-basierten Kryptosystems an Biodaten ergab, dass die kodierten Biodaten keine vorhersagbare Korrelation mehr enthielten. In der vorliegenden Arbeit wurden darüberhinaus BFO-basierte künstliche Synapsen mit einer Aktionspotentials-Intervall abhängigen Plastizität (STDP) für Einzelpulse entwickelt. Diese Einzelpuls-STDP legt den Grundstein für energieffiziente und schnelle neuromorphe Netzwerke mit künstlichen Synapsen. Im Vergleich zu biologischen Synapsen mit einer 60-80-Puls-STDP und einem Lernfenster auf der ms-Zeitskale, konnte das Lernfenster von BFO-basierten künstlichen Synapsen von 25 ms auf 125 μs reduziert werden. Solch ein schnelles Lernen ermöglicht auch die extreme Reduzierung des Leistungsverbrauchs in neuromorphen Netzwerken.