Simulation der Filamentmorphologie in elektrochemischen Metallisierungszellen
Elektrochemische Metallisierungszellen (ECM) beruhen auf dem Prinzip der spannungsgesteuerten Bildung oder Auflösung eines nanometerdünnen metallischen leitfähigen Filaments zwischen zwei Elektroden, die durch ein isolierendes Material, z. B. ein Oxid, getrennt sind. Durch das Filament wird der Widerstand der Zelle verändert, wodurch binäre oder auch analoge Speicherzustände codiert werden können. Die Lebensdauer des Filaments hängt von Faktoren wie den Materialien und der angelegten Spannung ab. Je nach Lebensdauer des Filaments - von Mikrosekunden bis zu Jahren - zeigen ECM-Zellen vielversprechende Eigenschaften für den Einsatz in neuromorphen Schaltungen, für In-Memory-Computing oder als Selektoren und Speicherzellen in Speicheranwendungen. Um diese Technologien mit ECM-Zellen zu ermöglichen, muss die Lebensdauer des Filaments kontrolliert werden. Die Lebensdauer wurde bisher oftmals mit der Morphologie des Filaments in Verbindung gebracht. Folglich werden die Parameter benötigt, die die Morphologie des Filaments bestimmen. Wir konnten in unserer Arbeit zeigen, dass sowohl die angelegte elektrische Spannung als auch die durch das Filamentwachstum verursachte mechanische Spannung innerhalb der isolierenden Schicht ausschlaggebend sind für die Morphologie des Filaments. Wie erwartet, zeigt sich bei hohen Spannung die Ausbildung von dünnen, gerichteten Filamenten, bei niedrigen Spannungen hingegen dicke und massive Filamente. Das besondere an unserer Arbeit ist, dass wir die Morphologie mit einem 2D Kontinuumsmodel bestimmen, das eine wesentlich geringere Rechenzeit aufweist, als bisherige 2D Kinetic Monte Carlo (KMC) Modelle. Der Unterschied besteht wesentlich darin, nicht jedes Atom einzeln zu betrachten, sondern durchschnittliche Ströme zu berechnen. Dies stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg hin zu sog. 1D Kompaktmodellen, mit denen vollstände Schaltkreise simuliert werden können.
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