Numerische Simulation von Transportprozessen unter externer Spannung in amorphen und kristallinen Oxiden

Ader, Christiane; Martin, Manfred; Lüchow, Arne

doi:HT030614007

Numerische Simulation von Transportprozessen unter externer Spannung in amorphen und kristallinen Oxiden

Ader, Christiane^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christiane Ader M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Martin, Manfred (Thesis advisor)^RWTH* ; Lüchow, Arne (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-10809
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/973459/files/973459.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Drift-Diffusions-Modell (frei) ; kinetische Entmischung (frei) ; numerische Simulation (frei) ; resistives Schalten (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Um den steigenden Bedarf an leistungsfähigen Datenspeichern zu decken, gewinnen neue Technologien wie das resistive Schalten zunehmend an Bedeutung. Dabei kann der Widerstand eines Materials beispielsweise durch das Anlegen einer Spannung verändert werden. Durch die zahlreichen unterschiedlichen Mechanismen und Schaltverhalten ist das Verständnis dieses Phänomens jedoch noch begrenzt. Unabhängig davon kann das Anlegen einer Spannung bei Materialien, die aus verschiedenen Ionen mit unterschiedlichen Ionenbeweglichkeiten zusammengesetzt sind, zu einer kinetischen Zersetzung des Materials führen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden aus den Differentialgleichungen für den Transport von Teilchen innerhalb eines Mediums zwei neue Drift-Diffusions-Modelle aus stark gekoppelten Differentialgleichungen entwickelt. Mit dem ersten Modell wird das Bulkschalten, eine Form des resistiven Schaltens, simuliert, mit dem zweiten Modell die kinetische Entmischung. Die Differentialgleichungen werden anschließend in den Simulationen numerisch mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode gelöst, bei der der zu betrachtende Bereich in zahlreiche kleine Elemente unterteilt wird. Das erste Modell fokussiert sich dabei auf die Gruppe der binären, stark unterstöchiometrischen, amorphen Oxide mit einer Mobilitätskante für die elektronische Leitfähigkeit. Anhand des Beispiels Galliumoxid werden die Auswirkungen verschiedener Parameter analysiert. Dabei wurde nur resistives Schalten beobachtet, wenn ein exponentieller Zusammenhang zwischen elektronischer Leitfähigkeit und Oxidzusammensetzung besteht. Quasi-3D-Simulationen zeigen bei einer Änderung des Größenverhältnisses der Elektroden den Übergang von abnormalem zu normalem bipolarem resistivem Schalten, was zuvor nur getrennt beobachtet, jedoch nicht in Verbindung gebracht wurde. Die simulierten Ergebnisse stimmen qualitativ sehr gut mit dem charakteristischen Verlauf der experimentellen Ergebnisse überein. Das zweite Modell konzentriert sich auf die Gruppe der Perowskit-Oxide mit Akzeptor-Dotierung, meist am Beispiel von Bariumtitanat. Es wird eine Entmischung sowohl zwischen A- und B-Kationen, als auch auf dem B-Untergitter zwischen B-Kationen und Akzeptoren simuliert, die mit Hilfe des Modells erklärbar ist. Erreicht das Verhältnis der Kationen durch zu starke Entmischung nach einer bestimmten Zeit die Grenzen des Stabilitätsbereichs, zersetzt sich das Material. Diese Zersetzungszeit hängt stark von Parametern wie Spannung, Startzusammensetzung oder Dotierung ab. Das Anfangsverhältnis der elektrochemischen Mobilitäten hat einen Einfluss auf die Spannung, die für eine Zersetzung mindestens erforderlich ist. Nur unterschiedliche elektrochemische Mobilitäten der Kationen führen zu einer Entmischung und eventuell zu einer Zersetzung. Bei geringen Spannungen von wenigen Volt und Temperaturen von 1000 °C liegen die Zersetzungszeiten für 1 mm dicke Oxide bei mehreren Jahren.

To meet the increasing demand for powerful data storage, new technologies such as resistive switching are becoming increasingly important. Here, the resistance of a material can be changed, for example, by applying a voltage. However, due to the numerous different mechanisms and switching behaviour, the understanding of this phenomenon is still limited. Independently of this, applying a voltage to materials composed of different ions with different ionic mobilities can lead to a kinetic decomposition of the material. In this work, two new drift-diffusion models of strongly coupled differential equations were developed from the differential equations for the transport of particles within a medium. Bulk switching, a form of resistive switching, is simulated with the first model, and kinetic unmixing with the second. The differential equations are then solved numerically in the simulations using the finite element method, in which the geometry under consideration is divided into numerous small elements. The first model focuses on the group of binary, strongly under stoichiometric, amorphous oxides with a mobility edge for the electronic conductivity. Using the example of gallium oxide, the effects of different parameters are analysed. Resistive switching was only observed when there was an exponential correlation between electronic conductivity and oxide composition. When the size ratio of the electrodes is changed, quasi-3D simulations show the transition from abnormal to normal bipolar resistive switching, which was previously only observed separately but not linked together. The simulated results qualitatively agree very well with the characteristic course of the experimental results. The second model focuses on the group of perovskite oxides with acceptor doping using mostly the example of barium titanate. Unmixing is simulated both between A and B-cations and on the B-sublattice between B-cations and acceptors, which can be explained with the help of the model. If the ratio of cations reaches the limits of the stability range after a certain time due to excessive unmixing, the material decomposes. This decomposition time depends strongly on parameters such as voltage, initial composition or doping. The initial ratio of the electrochemical mobilities has an influence on the voltage that is at least required for decomposition. Only different electrochemical mobilities of the cations lead to unmixing and possibly decomposition. At low voltages of a few volts and temperatures of 1000 °C, the times until decomposition for 1 mm thick oxides are several years.

OpenAccess:
PDF
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