Mit Graphen zur optimierten Speicherzelle

Resistive Speicherzellen, kurz ReRAM, gelten als vielversprechende Kandidaten für die Datenspeicher der Zukunft. Der nichtflüchtige Speichertyp schreibt und liest Informationen tausendmal schneller als Flash-Speicher, zugleich benötigt er deutlich weniger Energie. Durch den Einsatz von Graphen wollen Jülicher Wissenschaftler gemeinsam mit Partnern in Griechenland die Langzeit-Stabilität und Haltbarkeit der Speicherzellen verbessern. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Vorhaben G-ReRAM mit 200.000 Euro. Den Zuwendungsbescheid überreichte der Parlamentarische Staatssekretär im Bundesministerium für Bildung und Forschung Thomas Rachel MdB heute im Forschungszentrum Jülich.

Abb.: Thomas Rachel MdB übergibt den Zuwendungsbescheid für das Projekt G-ReRAM an Prof. Rainer Waser (links) und Dr. Ilia Valov (rechts). (BILD:FZJ)

„Die Informationstechnologie ist ohne Zweifel einer der entscheidenden Wachstumsmotoren der Zukunft. Die zentrale Herausforderung, die Leistung signifikant zu steigern und gleichzeitig den Energieverbrauch deutlich zu senken, ist eine Aufgabe von europäischer Dimension. Mit der Zusammenarbeit im Projekt G-ReRAM demonstrieren Jülicher Forscher gemeinsam mit ihren griechischen Kollegen, dass wissenschaftlicher Pioniergeist nicht an den Landesgrenzen endet“, sagte Thomas Rachel.
Resistive Zellen weisen die besondere Eigenschaft auf, dass sich ihr elektrischer Widerstand dauerhaft verändern lässt. Dadurch lassen sich Informationen abspeichern, die auch dann erhalten bleiben, wenn kein Strom fließt. Die langfristigen Anwendungsperspektiven gehen noch deutlich über die reine Datenspeicherung hinaus. „Mit resistiven Zellen lassen sich nicht nur binäre Werte, sondern auch Zwischenzustände einschreiben. Dies lässt sich möglicherweise für künstliche neuronale Netze nutzen, die wie beim natürlichen Lernen Verbindungen stärken und schwächen – ein erster Schritt auf dem Weg zu einem neuronalen, äußerst energieeffizienten Supercomputer“, erläutert Prof. Rainer Waser, Direktor am Jülicher Peter Grünberg Institut und Leibniz-Preisträger 2014.

Bis sich die ersten G-ReRAM-Speicherbausteine erfolgreich praktisch umsetzen lassen, müssen allerdings noch einige Hürden überwunden werden. „Um neue Speicherelemente auf der Basis von ReRAMs zu entwickeln, müssen im wesentlichen zwei Herausforderungen gelöst werden“, erläutert Dr. Ilia Valov, Koordinator des Projektes auf deutscher Seite. „Die Bauelemente und ihre Zustände müssen sich chemisch stabil verhalten, und als Voraussetzung dafür muss es gelingen, das elektrochemische Potenzial der Zellen zu senken.“

Wasers Arbeitsgruppe, die der Jülich Aachen Research Alliance (JARA) angehört, hatte im Frühjahr dieses Jahres nachgewiesen, dass resistive Speicherzellen als winzige Batterien betrachtet werden müssen (siehe Pressemitteilung vom 23. April 2013). Die ihnen innewohnende elektrische Spannung zwischen den beiden Elektroden wirkt als „elektromotorische Kraft“. Sie führt dazu, dass sich chemisch aktive Stoffe ungleichmäßig in der Zelle verteilen und dadurch sowohl die Speicherzeit als auch die Schaltcharakteristika negativ beeinflussen. In dem neu aufgelegten Projekt G-ReRAM streben die Wissenschaftler gemeinsam mit Partnern vom griechischen National Centre of Scientific Research Demokritos und der Universität Patras nun eine Lösung an. Der Einbau einer Zwischenschicht aus Graphen soll die unerwünschten Einflüsse unterbinden.

Das oftmals als „Wundermaterial“ gepriesene Graphen – eine nur eine Atomlage dicke Schicht Kohlenstoff mit bienenwabenförmiger Struktur – soll als eine Art Schutzschicht verhindern, dass sich die Elektroden chemisch auflösen und gleichzeitig die Zellspannung reduzieren, wenn nicht sogar komplett unterdrücken. Dabei ist es ausreichend dünn, um unter angelegtem Strom die Bewegung geladener Teilchen, Ionen, durch die Graphenschicht hindurch zuzulassen. Diese bewirkt letztlich die Veränderung des elektrischen Widerstands und ist damit wesentlich für das Funktionieren der resistiven Speicherzelle. Darüber hinaus wollen die Forscher das elektrisch gut leitfähige Graphen auch als Elektrodenmaterial einsetzen. Tests sollen zeigen, ob sich auf diese Weise Edelmetalle wie Platin oder Iridium ersetzen lassen, um die elektrischen Eigenschaften weiter zu optimieren und den Herstellungsaufwand sowie die Kosten zu reduzieren.

FZ Jülich / LK