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Functionality of Oxide based devices under Electric-field: Towards Atomic-resolution Operando Nanoscopy

Projektbeschreibung

Ein neuartiges Labor auf einem Chip zur Untersuchung der Sauerstoff-Dynamik während des Betriebs von Metalloxid-Geräten

Nanomaterialien auf der Grundlage von Metalloxiden werden weitläufig in elektronischen und optoelektronischen Geräten eingesetzt. Die Anpassung ihrer Oberflächeneigenschaften spielt eine wesentliche Rolle bei ihrer Leistung und ihren Anwendungsbereichen. Den sogenannten Sauerstoff-Fehlstellen, die natürlichen oder menschlichen Ursprungs sein können, kommt bei den physikalischen Eigenschaften von Metalloxiden eine entscheidende Bedeutung zu und der gezielte Einbau solcher Fehlstellen wurde bereits genutzt, um ihre Eigenschaften zu verbessern. Es ist jedoch schwierig die Effekte der Fehlstellen zu charakterisieren und zu messen, um sie besser gezielt hervorheben zu können. Das EU-finanzierte Projekt FOXON wird sich die Macht mikroelektromechanischer Systeme zunutze machen, um eine beispiellose Untersuchung von Metalloxid-Geräten während des Betriebs zu ermöglichen, die bis auf atomare Ebene genaue Ergebnisse liefert.

Ziel

Understanding oxygen dynamics is a key to superior device performance in emergent oxide electronics. So far it is an unrealized dream to correlate electrical behavior and atomic structure during device operation. Here, I envision bridging the gap between theoretical models and experimental reality. Recent advances in microelectromechanical systems (MEMS) chips for in situ transmission electron microscopy (TEM) are opening exciting new avenues in nanoscale research. The capability to perform current-voltage measurements while simultaneously analyzing the corresponding structural, chemical or even electronic structure changes during the operation of an electronic device would be a major breakthrough for nanoelectronics. Controlled electric field studies would enable an unprecedented way to investigate metal-oxide functional devices by using a lab-on-a-chip approach. I propose this project based upon own groundbreaking work on (i) how to electrically contact and operate an electron transparent lamella device fabricated from a metal-insulator-metal (MIM) structure (Ultramicroscopy 181 (2017) 144-149) and (ii) the design of a novel MEMS-based chip for in situ electrical biasing. FOXON will provide a platform for atomic scale operando investigations of oxide thin film and interface switching phenomena of MIM devices under electrical bias inside a microscope. My scientific endeavor will establish a group to develop beyond state-of-the-art operando TEM of MIM structured devices and tackle open questions in the field of oxide electronics. My scientific mission incorporates (a) studies of switching processes in oxide devices and (b) a comprehensive understanding of the atomic-level mechanisms that lead to tunable physical properties including dynamics of oxygen vacancies and stability of quantized conductance states in RRAM devices (Adv. Funct. Mater. (2017) 1700432). The results from this ERC Starting Grant could pave the way for novel quantum and information technologies.

Finanzierungsplan

ERC-STG - Starting Grant

Gastgebende Einrichtung

TECHNISCHE UNIVERSITAT DARMSTADT
Netto-EU-Beitrag
€ 1 758 600,00
Adresse
KAROLINENPLATZ 5
64289 Darmstadt
Deutschland

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Region
Hessen Darmstadt Darmstadt, Kreisfreie Stadt
Aktivitätstyp
Higher or Secondary Education Establishments
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Gesamtkosten
€ 1 758 600,00

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