Untersuchung des elektrischen Widerstandsschaltens perowskitischer Manganatfilme auf der Nanometerskala
Nanometer scale studies of the electrically induced resistive switching of perovskite manganites
von Jon-Olaf Krisponeit
Datum der mündl. Prüfung:2011-12-13
Erschienen:2012-07-25
Betreuer:Prof. Dr. Konrad Samwer
Gutachter:Prof. Dr. Konrad Samwer
Gutachter:Prof. Dr. Christian Jooß
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Zusammenfassung
Englisch
Perovskite manganese oxides are highly correlated systems, which exhibit a variety of resistance effects under different stimuli. Under exceeding critical voltages or currents, abrupt changes of the electrical resistance occur in manganites. Despite the large attention these switching effects receive due to their potential applicability in nonvolatile data storages, the underlying physical mechanism could not be entirely resolved yet. This thesis focuses on the electrically induced resistance switching of calcium and strontium doped lanthanum manganite thin films. Atomic Force Microscopy was used with conductively coated probes, which allows recording the topography and simultaneously taking electric measurements on the nanoscale. Under application of voltage pulses to the cantilever tip metallic regions can be created and destroyed at the manganite surface. These conducting domains have been characterized by electric measurements and their shape, time evolution and their growth dependence on the pulse parameters was studied. For an explanation, a qualitative model of a voltage induced structural transition was introduced and compared to alternative models. Proceeding logarithmically with increasing pulse duration, the domain growth can be understood as a creep process and is hence compatible with the picture of a structural process. Furthermore, also the resistance evolution during pulse train experiments and the observation of shrinking metallic domains suggest a creep-recovery phenomenon. Finally, indications for monolayer-wise propagating resistive switching were observed on a strontium-doped film, also being plausible in the model of a structural transition being responsible for the switching effect.
Keywords: Electrically induced resistive switching; conductive atomic force microscopy; structural transition; manganites
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Perowskitische Manganoxide sind
hochkorrelierte Systeme, die neben einem thermisch induzierten
Metall-Isolator-Übergang durch verschiedene Stimuli getriebene
Widerstandseffekte zeigen können. Beim Überschreiten kritischer
Spannungen oder Ströme treten an Manganaten abrupte
Widerstandsänderungen auf. Trotz der großen Aufmerksamkeit, die
solche Schalteffekte auch auf Grund ihrer möglichen Nutzbarkeit in
nonvolatilen Speicherelementen erfahren, konnte der
zugrundeliegende physikalische Mechanismus jedoch bisher nicht
vollständig aufgeklärt werden. Diese Arbeit widmet sich dem
elektrischen Widerstandsschalten dünner Calcium- und
Strontium-dotierter Lanthanmanganatfilme. Dabei wurde atomare
Kraftmikroskopie mit leitfähig beschichteten Sonden betrieben,
welche neben topographischen Aufzeichnungen auch die Durchführung
elektrischer Messungen auf der Nanometerskala erlaubt. Durch
Anlegen von Spannungspulsen an die Sondenspitze können leitfähige
Regionen an der Manganatoberfläche erzeugt und zerstört werden.
Diese leitenden Domänen wurden durch elektrische Messungen
charakterisiert und ihre räumliche Gestalt und zeitliche
Entwicklung sowie die Abhängigkeit ihres Wachstums von den
Pulsparametern untersucht. Als Erklärungsansatz wird ein
qualitatives Model eines spannungsinduzierten strukturellen
Übergangs eingeführt und alternativen Beschreibungen
gegenübergestellt. Ein in Abhängigkeit von der Pulsdauer
logarithmisch fortschreitendes Wachstum kann als Kriechprozess
verstanden werden und ist somit mit der Vorstellung eines
strukturellen Prozesses in Einklang. Darüberhinaus weisen auch der
Widerstandsverlauf in Pulsserienexperimenten und die Beobachtung
einer zeitlichen Rückbildung metallischer Domänen auf ein
Kriecherholungsphänomen hin. Es konnte ferner ein vermutlich
lagenweises Widerstandsschalten einer Strontium-dotierten Schicht
festgestellt werden, welches ebenfalls im Kontext einer
strukturellen Umwandlung als Ursache der Widerstandsänderung
verständlich erscheint.
Schlagwörter: Elektrisch induziertes Widerstandsschalten; Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie; Struktureller Übergang; Manganate