In den Manganaten können kleine Änderungen von externen Feldern die elektronischen, magnetischen und strukturellen Eigenschaften drastisch beeinflussen. In dieser Arbeit wird der Einfluss von elektrischen Feldern und Licht auf den elektrischen Transport in Manganatschichten analysiert. Durch elektrische Feldern können die Widerstände des Manganats remanent und reversibel zwischen verschiedenen Widerstandsniveaus in Abhängigkeit von der Polarität und der Größe des elektrischen Feldes eingestellt werden. Dieser, auch als bipolares Widerstandsschalten bezeichnete Effekt, wird in nanokolumnaren Lanthan und Strontium dotierten Manganatschichten mittels leitfähiger Rasterkraftmikroskopie und in mittels Elektronenstrahllithographie präparierten Mikrostrukturen studiert. Des Weiteren wird der Einfluss von Laseranregungen auf die erste und dritte harmonische Spannung in einer Lanthan und Barium dotierten Manganatschicht untersucht.

Im Fokus der vorliegenden Arbeit liegt das Widerstandsschalten von HfO2- und TiO2-Dünnschichten, wobei insbesondere auf den Einfluss der Kristallstruktur, der Stöchiometrie und der Elektrodenmaterialien ((inert, Pt) und (reaktiv, Ti/Pt)) eingegangen wurde. Die HfO2-Dünnschichten wurden mittels Atomlagenabscheidung (ALD) durch die Reaktion von Tetrakis(dimethylamido)hafnium mit Wasser bei Temperaturen von 100°C bis 350°C abgeschieden. Das beste ALD-Wachstum mit der geringsten Konzentration an Wasserstoff wurde für eine Temperatur von 300°C erhalten. Sowohl eine geringere als auch eine höhere Abscheidetemperatur führte durch parasitäre CVD-artige Prozesse bzw. durch die ungewollte thermische Zersetzung des Präkursors zu einer größeren Wasserstoffkonzentration. Des Weiteren wurde eine Korrelation zwischen der Wachstumsrate pro Zyklus, der Schichtdickenhomogenität und der Wasserstoffkonzentration in den HfO2-Schichten festgestellt. Das Widerstandsschalten wurde an amorphen (150°C) und polykristallinen (300°C) HfO2-Schichten mit unstrukturierten Rückelektroden und kreisförmigen Vorderseitenelektroden untersucht. Die Verwendung von symmetrischen Pt-Pt-Elektroden führte bei beiden Schichttypen zum unipolaren Schaltmodus. Der unipolare Schaltmodus wurde ebenfalls bei Verwendung von asymmetrischen Pt-Ti/Pt-Elektroden im Zusammenspiel mit der amorphen HfO2-Phase beobachtet. Eine Ausnahme stellt die Kombination von asymmetrischen Elektroden mit der polykristallinen HfO2-Phase dar. Dabei wurde nach der Elektroformierung mit positiv angelegter Spannung an die Vorderseitenelektrode der bipolare Schaltmodus erhalten. Eine Erklärung dafür liefert die Betrachtung der Filament-Wachstumsrichtung während der Elektroformierung. Die TiO2-Dünnschichten wurden durch reaktives Magnetronsputtern gewachsen. Die Stöchiometrie dieser Schichten wurde durch die Bestrahlung mit Ar-Ionen gezielt verändert. Dabei führt das bevorzugte Herausschlagen von Sauerstoff im Vergleich zum Titan zu einer an Sauerstoff verarmten TiOx-Schicht, welche sich durch die verwendete Ionenenergie von 2keV in oberflächennahen Bereichen befindet. Die Ausdehnung der TiOx-Schicht wurde mit einer TRIDYN-Simulation auf ca. 4nm bestimmt. Während sich zwischen einer TiO2-Schicht und einer Pt-Elektrode ein Schottky-Kontakt ausbildet, führt das Einbringen einer TiOx-Schicht zu einem ohmschen Kontakt. Für die Charakterisierung des Widerstandsschaltens an den mit Ar-Ionen bestrahlten TiO2-Schichten wurde somit auf symmetrische Pt-Pt-Elektroden zurückgegriffen. Im Bereich der getesteten Fluenzen von 1 x 10^13 Ar+/cm2 bis 1 x 10^16 Ar+/cm2 wurde mit einer Fluenz von 1 x 10^14 Ar+/cm2 sowohl die beste Ausbeute als auch die größten Endurance-Werte erzielt. / The work focuses on the resistive switching of HfO2 and TiO2 thin films. Especially the influence of crystal structure, stoichiometry and electrode materials ((inert, Pt) and (reactive, Ti/Pt)) have been examined. HfO2 thin films have been grown at temperatures ranging from 100°C to 350°C through the process of atomic layer deposition (ALD) by the reaction of tetrakis(dimethylamido)-hafnium with water. The best ALD growth with the lowest concentration of hydrogen was achieved at a temperature of 300°C. Both lower and higher deposition temperatures caused higher hydrogen concentrations due to parasitic CVD-like processes or thermal decomposition of the precursor. Moreover a correlation between the growth rate per cycle, the layer thickness uniformity and the hydrogen concentration in the HfO2 films was observed. Resistive switching was examined in amorphous (150°C) and polycrystalline (300°C) HfO2 films with unstructured bottom electrodes and circular structured top electrodes. The use of symmetric Pt-Pt-electrodes caused the unipolar switching mode in both layer types. The unipolar switching mode was also observed when asymmetric Pt-Ti/Pt-electrodes were used with an amorphous phase of the HfO2 layer. An exception is the use of asymmetric electrodes with the polycrystalline phase of the HfO2 layer. In this case electroforming with the application of positive voltage to the top electrode resulted in the bipolar switching mode. This is explained when looking at the filament growth direction during electroforming. TiO2 thin films were grown by reactive magnetron sputtering. The stoichiometry of these layers was modified by irradiation with Ar-ions. The preferential sputtering of oxygen compared to titanium causes a surface-near oxygen deficient TiOx layer due to the used ion energy of 2 keV. The depth of the TiOx layer was estimated to be 4 nm by using a TRIDYN simulation. While a Schottky contact formed between a TiO2 layer and a Pt-electrode, the use of a TiOx layer led to an ohmic contact. Symmetric Pt-Pt-electrodes were used to characterize resistive switching of TiO2 layers which have been irradiated with Ar-ions. The tested fluences ranged from 1×10^13 Ar+/cm2 to 1 × 10^16 Ar+/cm2. A fluence of 1 × 10^14 Ar+/cm2 resulted in the best yield and highest endurance.

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The downscaling of transistors is assumed to come to an end within the next years, and the semiconductor nonvolatile memories are facing the same physical downscaling challenge. Therefore, it is necessary to consider new computing paradigms and new memory concepts. Resistive switching devices (also referred to as memristive switches) are two-terminal passive device, which offer a nonvolatile switching behavior by applying short bias pulses. They have been considered as one of the most promising candidates for next generation memory and nonvolatile logic applications. They provide the possibility to carry out the information processing and storage simultaneously using the same resistive switching device. This dissertation focuses on the fabrication and characterization of BiFeO3 (BFO)-based metal-insulator-metal (MIM) devices in order to exploit the potential applications in nonvolatile memory and nonvolatile reconfigurable logics. Electroforming-free bipolar resistive switching was observed in MIM structures with BFO single layer thin film. The resistive switching mechanism is understood by a model of a tunable bottom Schottky barrier. The oxygen vacancies act as the mobile donors which can be redistributed under the writing bias to change the bottom Schottky barrier height and consequently change the resistance of the MIM structures. The Ti atoms diffusing from the bottom electrode act as the fixed donors which can effectively trap and release oxygen vacancies and consequently stabilize the resistive switching characteristics. The resistive switching behavior can be engineered by Ti implantation of the bottom electrodes. MIM structures with BiFeO3/Ti:BiFeO3 (BFO/BFTO) bilayer thin films show nonvolatile resistive switching behavior in both positive and negative bias range without electroforming process. The resistance state of BFO/BFTO bilayer structures depends not only on the writing bias, but also on the polarity of reading bias. For reconfigurable logic applications, the polarity of the reading bias can be used as an additional logic variable, which makes it feasible to program and store all 16 Boolean logic functions simultaneously into the same single cell of BFO/BFTO bilayer MIM structure in three logic cycles. / Die Herunterskalierung von Transistoren für die Informationsverarbeitung in der Halbleiterindustrie wird in den nächsten Jahren zu einem Ende kommen. Auch die Herunterskalierung von nichtflüchtigen Speichern für die Informationsspeicherung sieht ähnlichen Herausforderungen entgegen. Es ist daher notwendig, neue IT-Paradigmen und neue Speicherkonzepte zu entwickeln. Das Widerstandsschaltbauelement ist ein elektrisches passives Bauelement, in dem ein der Widerstand mittels elektrischer Spannungspulse geändert wird. Solche Widerstandsschaltbauelemente zählen zu den aussichtsreichsten Kandidaten für die nächste Generation von nichtflüchtigen Speichern sowie für eine rekonfigurierbare Logik. Sie bieten die Möglichkeit zur gleichzeitigen Informationsverarbeitung und -speicherung. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt bei der Herstellung und der Charakterisierung von BiFeO 3 (BFO)-basierenden Metal-insulator-Metall (MIM) Strukturen, um zukünftig deren Anwendung in nichtflüchtigen Speichern und in rekonfigurierbaren Logikschaltungen zu ermöglichen. Das Widerstandsschalten wurde in MIM-Strukturen mit einer BFO-Einzelschicht untersucht. Ein besonderes Merkmal von BFO-basierten MIM-Strukturen ist es, dass keine elektrische Formierung notwendig ist. Der Widerstandsschaltmechnismus wird durch das Modell einer variierten Schottky-Barriere erklärt. Dabei dienen Sauerstoff-Vakanzen im BFO als beweglichen Donatoren, die unter der Wirkung eines elektrischen Schreibspannungspulses nichtflüchtig umverteilt werden und die Schottky-Barriere des Bottom-Metallkontaktes ändern. Dabei spielen die während der Herstellung von BFO substitutionell eingebaute Ti-Donatoren in der Nähe des Bottom-Metallkontaktes eine wesentliche Rolle. Die Ti-Donatoren fangen Sauerstoff-Vakanzen beim Anlegen eines positiven elektrischen Schreibspannungspulses ein oder lassen diese beim Anlegen eines negativen elektrischen Schreibspannungspules wieder frei. Es wurde gezeigt, dass die Ti-Donatoren auch durch Ti-Implantation der Bottom-Elektrode in das System eingebracht werden können. MIM-Strukturen mit BiFeO 3 /Ti:BiFeO 3 (BFO/BFTO) Zweischichten weisen substitutionell eingebaute Ti-Donatoren sowohl nahe der Bottom-Elektrode als auch nahe der Top-Elektrode auf. Sie zeigen nichtflüchtiges, komplementäres Widerstandsschalten mit einer komplementär variierbaren Schottky-Barriere an der Bottom-Elektrode und an der Top-Elektrode ohne elektrische Formierung. Der Widerstand der BFO/BFTO-MIM-Strukturen hängt nicht nur von der Schreibspannung, sondern auch von der Polarität der Lesespannung ab. Für die rekonfigurierbaren logischen Anwendungen kann die Polarität der Lesespannung als zusätzliche Logikvariable verwendet werden. Damit gelingt die Programmierung und Speicherung aller 16 Booleschen Logik-Funktionen mit drei logischen Zyklen in dieselbe BFTO/BFO MIM-Struktur.

Transportphänomene treten in biologischen und künstlichen Systemen auf allen Längenskalen auf. In dieser Arbeit untersuchen wir sie für verschiedene Systeme aus einer mesoskopischen Perspektive, in der Fluktuationen physikalischer Größen um ihre Mittelwerte eine wichtige Rolle spielen. Im ersten Teil untersuchen wir die persistente Bewegung aktiver Brownscher Teilchen mit zusätzlichem Drehmoment, wie sie z.B. für Spermien oder Janus Teilchen auftritt. Wird ihre Bewegung auf einen Tunnel variierender Breite beschränkt, so setzt im thermischen Nichtgleichgewicht Transport ein; ungerichtete Fluktuationen des rauschhaften Antriebs werden gleichgerichtet. Hierdurch wird ein neuer Ratschentyp realisiert. Im zweiten Teil untersuchen wir den intrazellulären Cargotransport in den Axonen von Nervenzellen mithilfe molekularer Motoren. Sie werden als asymmetrischer Ausschlussprozess simuliert. Zusätzlich können die Cargos zwischen benachbarten Motoren ausgetauscht werden. Dadurch lassen sich charakteristische Eigenschaften des langsamen axonalen Transports mit einer einzigen Motorspezies reproduzieren. Bewerkstelligt wird dies durch die transiente Anbindung der Cargos an rückwärtslaufende Motorstaus. Im dritten Teil diskutieren wir resistive switching, die nicht volatile Widerstandsänderung eines Dielektrikums durch elektrische Impulse. Es wird für Anwendungen im Computerspeicher ausgenutzt, dem resistive RAM. Wir schlagen ein auf Sauerstoffvakanzen basierendes stochastisches Gitterhüpfmodell vor. Wir definieren binäre logische Zustände mit Hilfe der zugrunde liegenden Vakanzenverteilung und definieren Schreibe- und Leseoperationen durch Spannungsimpulse für ein solches Speicherelement. Überlegungen über die Unterscheidbarkeit dieser Operationen unter Fluktuationen zusammen mit der Deutlichkeit der unterschiedlichen Widerstandszustände selbst ermöglichen es uns, eine optimale Vakanzenzahl vorherzusagen. / Transport phenomena occur in biological and artificial systems at all length scales. In this thesis, we investigate them for various systems from a mesoscopic perspective, in which fluctuations around their average properties play an important role. In the first part, we investigate the persistent diffusive motion of active Brownian particles with an additional torque. It can appear in many real life systems, for example in sperm cells or Janus particles. If their motion is confined to a tunnel of varying width, transport arises out of thermal equilibrium; unbiased fluctuations of the noisy drive are rectified. This way, we have realized a novel kind of ratchet. In the second part, we study intracellular cargo transport in the axons of nerve cells by molecular motors. They are modeled by an asymmetric exclusion process. In a new approach, we add a cargo exchange interaction between the motors. This way, the characteristics of slow axonal transport can be accounted for with a single motor species. It is explained by the transient attachment of cargos to reverse walking motors jams. In the third part, we discuss resistive switching, the non-volatile change of resistance in a dielectric due to electric pulses. It is exploited for applications in computer memory, the resistive random access memory (ReRAM). We propose a stochastic lattice hopping model based on the on oxygen vacancies. We define binary logical states by means of the underlying vacancy distributions, and establish a framework of writing and reading such a memory element with voltage pulses. Considerations about the discriminability of these operations under fluctuations together with the markedness of the resistive switching effect itself enable us to predict an optimal vacancy number.

The downscaling of transistors is assumed to come to an end within the next years, and the semiconductor nonvolatile memories are facing the same physical downscaling challenge. Therefore, it is necessary to consider new computing paradigms and new memory concepts. Resistive switching devices (also referred to as memristive switches) are two-terminal passive device, which offer a nonvolatile switching behavior by applying short bias pulses. They have been considered as one of the most promising candidates for next generation memory and nonvolatile logic applications. They provide the possibility to carry out the information processing and storage simultaneously using the same resistive switching device. This dissertation focuses on the fabrication and characterization of BiFeO3 (BFO)-based metal-insulator-metal (MIM) devices in order to exploit the potential applications in nonvolatile memory and nonvolatile reconfigurable logics. Electroforming-free bipolar resistive switching was observed in MIM structures with BFO single layer thin film. The resistive switching mechanism is understood by a model of a tunable bottom Schottky barrier. The oxygen vacancies act as the mobile donors which can be redistributed under the writing bias to change the bottom Schottky barrier height and consequently change the resistance of the MIM structures. The Ti atoms diffusing from the bottom electrode act as the fixed donors which can effectively trap and release oxygen vacancies and consequently stabilize the resistive switching characteristics. The resistive switching behavior can be engineered by Ti implantation of the bottom electrodes. MIM structures with BiFeO3/Ti:BiFeO3 (BFO/BFTO) bilayer thin films show nonvolatile resistive switching behavior in both positive and negative bias range without electroforming process. The resistance state of BFO/BFTO bilayer structures depends not only on the writing bias, but also on the polarity of reading bias. For reconfigurable logic applications, the polarity of the reading bias can be used as an additional logic variable, which makes it feasible to program and store all 16 Boolean logic functions simultaneously into the same single cell of BFO/BFTO bilayer MIM structure in three logic cycles. / Die Herunterskalierung von Transistoren für die Informationsverarbeitung in der Halbleiterindustrie wird in den nächsten Jahren zu einem Ende kommen. Auch die Herunterskalierung von nichtflüchtigen Speichern für die Informationsspeicherung sieht ähnlichen Herausforderungen entgegen. Es ist daher notwendig, neue IT-Paradigmen und neue Speicherkonzepte zu entwickeln. Das Widerstandsschaltbauelement ist ein elektrisches passives Bauelement, in dem ein der Widerstand mittels elektrischer Spannungspulse geändert wird. Solche Widerstandsschaltbauelemente zählen zu den aussichtsreichsten Kandidaten für die nächste Generation von nichtflüchtigen Speichern sowie für eine rekonfigurierbare Logik. Sie bieten die Möglichkeit zur gleichzeitigen Informationsverarbeitung und -speicherung. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt bei der Herstellung und der Charakterisierung von BiFeO 3 (BFO)-basierenden Metal-insulator-Metall (MIM) Strukturen, um zukünftig deren Anwendung in nichtflüchtigen Speichern und in rekonfigurierbaren Logikschaltungen zu ermöglichen. Das Widerstandsschalten wurde in MIM-Strukturen mit einer BFO-Einzelschicht untersucht. Ein besonderes Merkmal von BFO-basierten MIM-Strukturen ist es, dass keine elektrische Formierung notwendig ist. Der Widerstandsschaltmechnismus wird durch das Modell einer variierten Schottky-Barriere erklärt. Dabei dienen Sauerstoff-Vakanzen im BFO als beweglichen Donatoren, die unter der Wirkung eines elektrischen Schreibspannungspulses nichtflüchtig umverteilt werden und die Schottky-Barriere des Bottom-Metallkontaktes ändern. Dabei spielen die während der Herstellung von BFO substitutionell eingebaute Ti-Donatoren in der Nähe des Bottom-Metallkontaktes eine wesentliche Rolle. Die Ti-Donatoren fangen Sauerstoff-Vakanzen beim Anlegen eines positiven elektrischen Schreibspannungspulses ein oder lassen diese beim Anlegen eines negativen elektrischen Schreibspannungspules wieder frei. Es wurde gezeigt, dass die Ti-Donatoren auch durch Ti-Implantation der Bottom-Elektrode in das System eingebracht werden können. MIM-Strukturen mit BiFeO 3 /Ti:BiFeO 3 (BFO/BFTO) Zweischichten weisen substitutionell eingebaute Ti-Donatoren sowohl nahe der Bottom-Elektrode als auch nahe der Top-Elektrode auf. Sie zeigen nichtflüchtiges, komplementäres Widerstandsschalten mit einer komplementär variierbaren Schottky-Barriere an der Bottom-Elektrode und an der Top-Elektrode ohne elektrische Formierung. Der Widerstand der BFO/BFTO-MIM-Strukturen hängt nicht nur von der Schreibspannung, sondern auch von der Polarität der Lesespannung ab. Für die rekonfigurierbaren logischen Anwendungen kann die Polarität der Lesespannung als zusätzliche Logikvariable verwendet werden. Damit gelingt die Programmierung und Speicherung aller 16 Booleschen Logik-Funktionen mit drei logischen Zyklen in dieselbe BFTO/BFO MIM-Struktur.