Forschungserfolg Elektrochemische Speicher

Forscher aus Jülich, Aachen und Tsukuba in Japan haben eine neue Möglichkeit aufgezeigt, elektrochemische Prozesse auf atomarer Skala zu studieren. Elektrochemische Systeme sollen zukünftig eine neue Form schneller und energiesparender Arbeitsspeicher ermöglichen. Die Methodik soll auch bei der Untersuchung und Optimierung von Systemen wie Brennstoffzellen, Batterien, chemischen Sensoren und Katalysatoren helfen.

Eine Forschungsgruppe der Jülich Aachen Research Alliance (JARA), Sektion »Fundamentals of Future Information Technology«, unter der Führung von Professor Rainer Waser untersucht gemeinsam mit einer von Professor Masakazu Aono (National Institute for Materials Science in Tsukuba, Japan) geleiteten Forschergruppe elektrochemische Zellen auf der Nanometer-Skala als mögliche Speicherelemente für die Informationstechnologie. Diese so genannten elektrochemischen Metallisierungszellen (ECM) könnten einmal die heutigen Arbeitsspeicher (DRAM und Flash) ablösen, da sie prinzipiell schneller und energieeffizienter schalten können.

Die Funktionsweise der ECM-Zellen beruht auf Silber- oder Kupferionenleitenden Elektrolyten. Durch Anlegen von elektrischen Spannungspulsen werden metallische Fasern gebildet oder aufgelöst, sogenannte Filamente. Dabei ändert sich der Widerstand des Gesamtsystems sprunghaft, von einigen Ohm (Kurzschuss durch das Filament) bis zu Millionen Ohm (ohne Filament). Die beiden Zustände repräsentieren die Booleschen Zustände 0 und 1, die die Grundlage der digitalen Datenverarbeitung bilden. In früheren Arbeiten konnte die Gruppe um Professor Aono bereits zeigen, dass die  ECM-Zellen ein viel besseres Potential hinsichtlich der Miniaturisierung in der Nanoelektronik aufweisen als die konventionellen DRAM- und Flash-Speicherelemente.

In ihren jüngsten Studien der detaillierten Prozessschritte beim Schalten von ECM-Zellen ist den Arbeitsgruppen nun ein entscheidender Durchbruch gelungen. Zunächst konnten die Forscher die Oberfläche eines sogenannten Supraionenleiters, dem Rubidium-Silber-Iodid (RbAg4I5), erstmals mit atomarer Auflösung abbilden. Bisher ließ sich die Oberfläche eines Ionenleiters nicht mit einem Rastertunnelmikroskop untersucht werden, da für das quantenmechanische Tunneln von Elektronen aus der Mikroskopspitze die Materialien elektronenleitend sein müssen. Der Trick bestand nun darin, RbAg4I5-Proben zu verwenden, die eine geringe Konzentration an Verunreinigung (sogenannte Dotierung) mit Eisenatomen enthielten. Diese Eisenatome erzeugen eine hinreichende Elektronenleitung, ohne die Ionenleitung dadurch zu beeinträchtigen.

Darüber hinaus haben die Forscher die Rastertunnelmikroskopie verwendet, um den Verlauf von Redoxreaktionen nach eigenem Bekunden mit bisher unerreichter Massen-, Ladungs- und Ortsauflösung zu untersuchen. Es gelang ihnen, die Bildung einer neuen Phase (das ist ein chemisch homogener Bereich), die nur aus wenigen Atomen besteht, auf der Oberfläche eines Supraionenleiters zu stabilisieren, zu kontrollieren und sogar abzubilden.  Der Abstand zwischen der Rastersonden Spitze und der Oberfläche beträgt dabei etwa 1 nm. Mit Hilfe des bekannten Abstands konnten die Forscher die Anzahl der Silberatome berechnen, die benötigt werden, um die Tunnellücke zu schließen. Ferner konnten sie dadurch auch Reaktionsparameter des elektrochemischen Prozesses ermitteln. Im Fall des ausgewählten Beispielsystems, des Supraionenleiters RbAg4I5, stellten sie fest, dass die elementaren Schritte der Phasenbildung im Nano- bis Mikrosekundenbereich durch die Geschwindigkeit der Bildung eines kritischen Silber-Keimes limitiert sind (siehe Bild). Das Verhalten des Systems konnten die Forscher durch die sogenannte »atomistische Theorie der Nukleation« erklären. Sie sagt eine diskrete Änderung der thermodynamischen Größen vorher.

Nachzulesen sind die Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift »Nature Materials« (DOI: 10.1038/NMAT3307).