Masterarbeiten

Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Temperaturabhängige Untersuchung der Schaltkinetik an resistiv schaltenden Zellen mittels Spannungspulsen

Nano-crossbar ReRAM-Zelle

Pulsmessung und Analyse der Schaltzeit

Spannungsabhängigkeit der SET-Zeit einer HfO2-basierten Zelle als Ergebnis statistischer Pulsmessungen

Beschreibung: Energieeffiziente, nicht-flüchtige und dicht integrierbare Speicherzellen (Non-volatile Memories, NVM) sind Gegenstand aktueller Forschung und sollen auf lange Sicht die langsamen und energieaufwendigen Flash-Speicher ersetzen. Dabei sind redox-basierte, resistiv schaltende (ReRAM-) Zellen in den letzten Jahren mehr und mehr in den Fokus gerückt. Eine ReRAM-Zelle besteht aus einer MOM (Metall-Oxid-Metall)-Struktur, wobei der Widerstand des Isolators durch Spannungspulse zwischen zwei und mehr Zuständen geschaltet werden kann. Verantwortlich dafür sind in der Oxidschicht stattfindende Redox-Prozesse.

Zur Charakterisierung der Speicherzellen werden diese an den beiden Metallkontakten kontaktiert. Die Stromantwort der Zellen auf Spannungspulse mit Pulsbreiten von 100 ns bis 100 s erlaubt es, die Schaltgeschwindigkeit unterschiedlicher Zellen zu bestimmen, welche Rückschlüsse auf die am Schaltvorgang beteiligten atomaren Prozesse zulässt. Das Verständnis letzterer ist für die aktuelle Forschung und Verbesserung der Speicherzellen von immenser Bedeutung.

Im Rahmen dieser Masterarbeit sollen HfO2- und Ta2O5-basierte OxRAM-Zellen temperaturabhängig mit transienten Spannungspuls-Messungen untersucht werden. Diese sollen in einer speziellen Probenkammmer temperaturabhängig im Bereich zwischen 100 K und 300 K durchgeführt werden. Der temperaturabhängige Stromverlauf sowie die Schaltkinetik geben Rückschlüsse über die beim Schaltprozess involvierten atomaren Prozesse.

Das Masterprojekt beinhaltet folgende Aufgaben:

  • Elektrische Charakterisierung verschiedener HfO2- und Ta2O5-basierter ReRAM-Zellen mittels Spannungspulsen bei verschiedenen Temperaturen.
  • Materialabhängige Analyse und Auswertung der elektrischen Messungen, inkl. der Anpassung der Daten an physikalische Modelle.

Voraussetzungen: Spaß an experimenteller und interdisziplinärer Arbeit, selbständige Arbeitsweise, sehr gute Kenntnisse und Noten im Bereich der Halbleiterbauelemente. Grundlegende Kenntnisse im Bereich der Messtechnik, der statistischen Datenanalyse, und Programmierkenntnisse sind erforderlich.

Ansprechpartner:

M. Sc. Alexander Hardtdegen

Tel: + 49 2461 612551

E-mail: Bitte diesem Link folgen.

oder:

Dr. Susanne Hoffmann-Eifert

Tel: +49 2461 616505

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25.09.2018

Masterarbeit in
Materialwissenschaften/Chemie/Physik

Untersuchungen zur Grenzflächenbildung bei Atomlagenabscheidung ultradünner Oxidschichten auf reinen Übergangsmetallen und ihr Einfluss auf resistiv schaltende Speicherzellen (ReRAM)

ALD Anlage im HNF Nanocluster-Labor

XPS Spektrum einer oxidierten Tantal-Schicht

Beschreibung: Für zukünftige 'Green-IT'-Lösungen wird intensiv an neuartigen, nicht-flüchtigen, energie-effizienten und schnellen Speicherelementen geforscht. Redox-basierte resistive Speicherzellen (ReRAM) können sowohl in ‚Storage Class Memories‘ sowie in neuartigen, neuromorphen Architekturen verwendet werden und stehen daher im Fokus der Forschung. Entscheidend für den Schaltprozess der Bauteile sind die in der Zelle ablaufenden Redoxreaktionen, die durch den Schichtaufbau und die Schaltparameter beeinflusst werden können. Von aktuellem Forschungsinteresse sind die Verkleinerung der Zellgröße zur späteren hochdichten Integration tausender Zellen in dreidimensionale Netzwerke sowie das Verständnis von Grenzflächenreaktionen.

Im Rahmen der Masterarbeit sollen mittels Atomlagenabscheidung (ALD) Ta2O5, HfO2, TiO2 und Al2O3 Schichten hergestellt und charakterisiert werden. Nach dem Wachstum werden die dünnen Schichten auf ihre Schichtqualität hin untersucht. Dies beinhaltet die Analyse der Schichtdicke und Dichte, der Kristallinität sowie der Rauigkeit mittels hochpräziser Analysemethoden (XRR, XRD, AFM).Ferner soll die chemische Beschaffenheit der ALD Schichten (Ta2O5, HfO2 und TiO2) sowie die der Grenzflächenoxidschichten des oxidierten Metalls analysiert werden. Hierbei werden Metallschichten (Ta, Ti und Hf) mit einer Sputteranlage hergestellt. Auf diese Schichten werden dann ohne Unterbrechung des Vakuums (in-situ) mittels ALD Metalloxidschichten mit Dicken von wenigen Nanometern gewachsen. Die Grenzflächenreaktionen werden mit spektroskopischen Methoden untersucht (XPS). Zusätzlich sollen vielversprechende Schichtkombinationen in ReRAM-Zellen integriert und elektrisch charakterisiert werden.

Voraussetzungen: Spaß an experimenteller und interdisziplinärer Arbeit, selbständige Arbeitsweise, gute Kenntnisse im Bereich der Halbleiterbauelemente und der Festkörperphysik, Grundkenntnisse in mindestens einer Datenauswertungssoftware (Python, Origin etc.).

Ansprechpartner:

Stephan Außen, M. Sc. in Physics

Tel: +49 2461 612551

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oder:

Dr. Susanne Hoffmann-Eifert

Tel: +49 2461 616505

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25.09.2018

Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Charakterisierung von ionischen Prozessen in resistiven Speicherzellen

Resistive Speicherzellen (ReRAM) gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige, nichtflüchtige Speicheranwendungen. Aufgrund ihrer schnellen Schaltzeiten, Skalierbarkeit sowie niedrigem Energieverbrauch sind sie in vielen Anwendungsfeldern interessant.

Die Funktionsweise der Speicherzellen basiert auf einer Widerstandsänderung des aktiven Materials, welche durch das Anlegen einer Spannung reversibel hervorgerufen werden kann. Dabei wird zwischen verschiedenen Schaltmechanismen unterschieden. Bei Valenzwechselzellen (VCM) wird das aktive Material durch Anlegen einer Spannung reduziert, sodass sich ein leitfähiges Filament ausbildet.

Jede Valenzwechselzelle ist aber auch eine sogenannte „Nanobatterie“, da der Aufbau der Zellen (ein Isolator/Elektrolyt zwischen zwei unterschiedlichen Metallen) exakt dem einer Batterie gleicht.

Ziel dieser Arbeit ist es, die Eigenschaften dieser Nanobatterien für verschiedene Materialien zu charakterisieren und dadurch neue Erkenntnisse über die ionischen Eigenschaften der Speicherzellen zu gewinnen. In der Arbeit sollen resistive Speicherzellen selbstständig hergestellt und elektrisch charakterisiert werden.

Voraussetzungen:

Interesse und Spaß an experimenteller, interdisziplinärer Arbeit; Teamfähigkeit; Selbstständige Arbeitsweise.

Von Vorteil aber nicht notwendig: Grundkenntnisse in Python, MATLAB, o.ä.

Ansprechpartner:

Andreas Kindsmüller, M.Sc.

Walter-Schottky-Haus, Raum 24B 013

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30.07.2018

Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Untersuchungen des Threshold Switching Mechanismus basierend auf einer Feld induzierten thermischen Instabilität

Als Threshold Switching Devices werden elektronische Bauelemente bezeichnet, welche beim Anlegen eines kritischen elektrischen Feldes bzw. einer äußeren Spannung eine abrupte Widerstandsänderung zeigen. Dieses Phänomen konnte bereits in den unterschiedlichsten Materialien gefunden werden. Dies führte zu einer vielzahl von Erklärungsversuchen. Eine davon basiert auf einem so genannten Mott-Hubbard Phasenübergang. Dieser bewirkt einen Übergang von einer halbleitenden in eine metallische Phase. Eine detaillierte Betrachtung führt allerdings zu Widersprüchen. Eine neue Erklärung für das Threshold Switching wurde gegeben durch eine Erklärung die vollständig auf den elektronischen Materialeigenschaften basiert. Hierbei führt ein elektrisches Feld zu einer Absenkung der Aktivierungsenergie von lokalisierten Ladungsträgern. Durch diese Feldabsenkung können diese durch thermische Anregung leichter über die Barriere gelangen. Dies führt zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit. Die wiederum führt zu einer Jouleschen Erwärmung. Aufgrund der steigenden Temperatur können nun mehr Ladungsträger aktiviert werden, was wiederum eine Erhöhung der Leitfähigkeit ergibt. Dies führt zu einer thermischen Instabilität, mit der Folge eines abrupten Anstiegs im Strom.[1] Neben der physikalischen Fragestellung, besitzt dieses Bauelement hohe technische Relevanz, da es als sogenannter Selektor verwendet werden kann, welcher es ermöglicht die Speicherkapazität von neuartigen Memories/Speichern zu erhöhen.

Das Ziel dieser Arbeit ist es diese mit Hilfe eines Simulationsmodells besser zu verstehen in wie fern sich dieses neuartige physikalische Konzept übertragen lässt auf andere Mott-Hubbard Isolatoren. Konkret handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung eines solchen Simulationsmodel und einer Analyse der zeitlichen und räumlichen Entwicklung dieses Schaltens.

[1] C. Funck, S. Menzel, N. Aslam, H. Zhang, A. Hardtdegen, R. Waser, S. Hoffmann-Eifert, Adv. Electron. Mater. 2016, 2, 1600169/1.

Voraussetzungen:

In dieser Arbeit sind sowohl Interesse an Experimenten als auch an Simulationen gefragt. Dabei sollte das Grundsätzliche Interesse sein unbekannte physikalische Phänomen zu erklären.
Erste grundlegende Programmierkenntnisse in MATLAB oder Python könnten von Vorteil sein sind aber nicht erforderlich.

Ansprechpartner:

Carsten Funck

Walter-Schottky-Haus, Raum 24C 413

Tel: +49 241 80 27741

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Tyler Hennen (ausschließlich englisch)

Walter-Schottky-Haus, Raum 24C 409

Tel: +49 241 80 27815

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Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Chemie/Physik

­­­­­Einfluss der Interface Wechselwirkungen auf die Entstehung von 2-dimensionalen Fulleren Quasikristallen

Kennziffer:

D042/2018 – Molekularelektronik, Physik, Materialwissenschaften, physikalische Chemie, Elektrotechnik

Projekt:

Quasikristalle (QC) haben eine lang-reichweitige Ordnung, jedoch keine Translationsperiodizität wie normale Kristalle, die durch ihre Einheitszelle charakterisiert werden können. Insbesondere zweidimensionale QCs bilden faszinierende Mosaikstrukturen, deren Entstehungsmechanismus weitgehend ungeklärt ist. Interessant ist, dass aufgrund hoher Rotationssymmetrie physikalische Eigenschaften resultieren, die QCs zu potentiellen Materialien für optische Anwendungen (wie photonische Kristalle) machen. Zudem haben wir mittels hochauflösender Rastertunnelmikroskop Untersuchungen (LT-UHV-STM) einzelne Fullerene in speziellen Anordnungen identifiziert, die prinzipiell als elektronische Schaltelemente genutzt werden können.

Aufgabe:

In dieser Arbeit soll die Entstehung und die Funktion der molekularen Schaltelemente bestehend aus quasikristallinen Fulleren-Strukturen eingehend mittels hochauflösenden Rastertunnelmethoden und LEED untersucht werden. Hierfür werden Fulleren Moleküle durch Sublimation auf zuvor präparierten Metalloberflächen abgeschieden. Im Anschluss sollen diese Moleküle, ihre Anordnung auf dem Substrat, sowie die Molekül-Substrat Wechselwirkungen bei 4K charakterisiert werden. Als Hauptmethodik ist hierzu ein Tieftemperatur-Ultrahochvakuum-Rastertunnelmikroskop mit LEED vorgesehen. Die Aufgaben der Masterarbeit sind im Einzelnen:

  • Präparation eines Pt/Ti-Einkristalls als Substrat
  • Deposition von Fullerenen auf die Substratoberflächen zur Erzeugung von quasikristallinen Strukturen
  • Charakterisierung der Oberflächen mittels Rastertunnelmikroskop/LEED
  • Elektronische Charakterisierung einzelner Moleküle zur Überprüfung Ihrer Eignung zum Schalten

Bewerberprofil:

Sie sind Student der Physik, physikalischen Chemie oder der Materialwissenschaften und habenInteresse an experimentellen Arbeiten in einem interdisziplinären Team. Zudem verfügen Sie über solide Kenntnisse in Festkörperphysik und Oberflächenanalytik und Grundkenntnisse in Chemie. Sie sind bereit, sich in neue Methoden einzuarbeiten.

Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Silvia Karthäuser/René Ebeling, M.Sc./Prof. Dr. Rainer Waser

Peter Grünberg Institut (PGI-7) - FZ Jülich

Tel: 02461-61-4015 / 02461-61-4389

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27.02.2018

Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Einfluss der Schreibbedingungen auf das Verhalten resistiver Speicherzellen

Resistive Speicherzellen (ReRAM) gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige, nichtflüchtige Speicheranwendungen. Aufgrund ihrer schnellen Schaltzeiten, Skalierbarkeit sowie niedrigem Energieverbrauch könnten Sie in Zukunft den etablierten Flash-Speicher ablösen.

Die Funktionsweise der Speicherzellen basiert auf einer Widerstandsänderung des aktiven Materials, welche durch das Anlegen einer Spannung reversibel hervorgerufen werden kann. Dabei wird zwischen verschiedenen Schaltmechanismen unterschieden. Bei Valenzwechselzellen (VCM) wird das aktive Material durch Anlegen einer Spannung reduziert, sodass sich ein leitfähiges Filament ausbildet.

Die Eigenschaften dieses Filaments (z.B. Durchmesser, Sauerstoffleerstellenkonzentration, etc.) hängen dabei von den Schreibbedingungen ab und beeinflussen die messbaren Größen der Speicherzelle. Zu diesen Größen zählen unter anderem die Anzahl maximal möglicher Schaltzyklen oder die Stabilität des eingeschriebenen Widerstands.

Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss der Schreibbedingungen auf die Eigenschaften des Filaments zu ermitteln, sowie bezüglich der Schalteigenschaften der Speicherzelle zu optimieren. Im Rahmen der Arbeit sollen daher resistive Speicherzellen selbstständig hergestellt und elektrisch charakterisiert werden.

Außerdem stehen Modelle zur Verfügung, die den Schaltmechanismus resistiver Speicherzellen abbilden. Ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Modellen wäre möglich und wünschenswert. Der Fokus der Arbeit soll jedoch auf der elektrischen Charakterisierung liegen.

Voraussetzungen:

Interesse und Spaß an experimenteller, interdisziplinärer Arbeit
Teamfähigkeit
Selbstständige Arbeitsweise
Von Vorteil aber nicht notwendig: Grundkenntnisse in MATLAB

Ansprechpartner:

Stefan Wiefels M.Sc.

Walter-Schottky-Haus, Raum 24B 005A

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Masterarbeit in
Materialwissenschaften/Physik

Raumladungszonen-basierte Sauerstoffsensoren aus dotierten SrTiO3 Dünnfilmen

Bildung einer Raumladungszone bei erhöhtem Sauerstoffpartialdruck sowie die Widerstandsreaktion eines n-SrTiO3 Dünnfilms auf verschiedene Sauerstoffpartialdrücke.

In dieser Masterarbeit sollen donatordotierte SrTiO3 (n-SrTiO3) Dünnfilme auf ihre Eignung zur Anwendung als Sauerstoffsensoren untersucht werden. An der Oberfläche von n-SrTiO3, entsteht bei erhöhten Temperaturen und sauerstoffreicher Atmosphäre eine Raumladungszone in der Elektronen verarmt werden. Erste Untersuchungen zeigen bereits, dass die Verarmung der Elektronen bei Dünnfilmen im Nanometerbereich zu einer Veränderung des in-plane Widerstandes führen. Dünnfilme verschiedener Dotierstoffkonzentrationen sollen mittels Pulsed Laser Deposition hergestellt und topographisch (AFM) und elektrisch (Hall) charakterisiert werden. In anschließenden dynamischen Experimenten soll die Widerstandsänderung dieser Dünnfilme bei Temperaturen zwischen 200 °C und 500 °C und verschiedenen Sauerstoffpartialdrücken genauer untersucht werden.

Das Masterprojekt umfasst folgende Aufgaben:

  • Herstellung epitaktischer SrTiO3 Schichten verschiedener Dotierstoffkonzentration und Schichtdicken mittels Pulsed Laser Deposition
  • Elektrische und topographische Charakterisierung der hergestellten Filme
  • Durchführung dynamischer Hochtemperatur-Widerstandsmessungen

Wir freuen uns auf Ihre Bewerbung für dieses spannende Projekt!

Voraussetzungen:

Gute Kenntnisse in Festkörperphysik
Spaß an interdisziplinärer Arbeit
Experimentelles Geschick
Teamfähigkeit

Ansprechpartner:

Dr. Felix Gunkel/Michael Andrä, M.Sc.

Peter Grünberg Institut (PGI-7) – FZ Jülich

Tel: 02461-61-5339 oder 02461-61-6302

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oder

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22.08.2017

Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Numerische Simulation von ReRAM Doppelschichten

Resistive Speicherzellen (ReRAMs) gehören zu den nichtflüchtigen Datenspeichern, die aufgrund ihres niedrigen Energieverbrauchs, ihrer Skalierbarkeit und ihrer schnellen Schaltzeiten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige Speicherkonzepte gelten. Die Funktionsweise der Speicherzellen basiert auf einer Widerstandsänderung des aktiven Materials, welche durch das Anlegen einer Spannung reversibel hervorgerufen werden kann.

Die Verwendung von zwei verschiedenen Oxiden als Zweischichtsystem, sogenannten Bilayern, zur Optimierung der Schalteigenschaften ist Gegenstand aktueller Forschung. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein bestehendes dynamisches 1D-Modell eines Heteroüberganges erweitert und auf die Schalteigenschaften hin untersucht werden. Im Modell werden Poissongleichung und die Kontinuitätsgleichung für Elektronen gekoppelt gelöst. Des Weiteren werden die lokalen Temperatur und der Ionentransport berechnet. Zur Simulation wird die kommerzielle Software COMSOL basierend auf der Finite-Elemente-Methode eingesetzt.

Voraussetzungen:

Interesse an der Modellierung physikalischer Prozesse
Grundkenntnisse in Festkörperphysik
Selbständige Arbeitsweise
Von Vorteil, jedoch nicht notwendig sind Grundkenntnisse in COMSOL

Ansprechpartner:

Camilla La Torre M.Sc.

Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik 2 (IWE-2) – RWTH Aachen University
Walter-Schottky-Haus 18/24, Raum 24C 415

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Masterarbeit in
Materialwissenschaften/Physik

2-D Elektronengas-basierte Sauerstoff­sensoren aus Oxid-Heterostrukturen

Atomar-definierte Oxidheterostruktur mit 2D-Elektronengas, das an der Grenzfläche der zwei angrenzenden Materialien entsteht. Das 2DEG soll als Sauerstoffsensor getestet und charakterisiert werden.

In dieser Masterarbeit werden 2-dimensionale Elektronengase (2DEGs) in Oxid-Schichtsystemen realisiert. Die 2D-Gase werden durch die Herstellung von atomar-definierten Grenzflächen zwischen zwei Oxidschichten erzeugt und grundlegend charakterisiert. Die Eigenschaften der 2DEGs sollen dann in Abhängigkeit der äußeren Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 300°C und 800°C untersucht werden. In dynamischen Messungen, bei denen die umliegende Atmosphäre schlagartig verändert werden kann, soll die Eignung der 2DEG-basierten Oxid-Heterostrukturen als Hochtemperatur-Sauerstoffsensor getestet und die zugrunde liegenden atomistischen Prozesse charakterisiert werden.

Das Masterprojekt beinhaltet folgende Aufgaben:

  • Herstellung von Oxid-Schichten mittels gepulster Laserdeposition
  • Durchführung von dynamischen Hochtemperatur-Experimenten
  • Spektroskopische Untersuchung mittels Photoelektronen-Spektroskopie
  • Direkte Mitwirkung an einem internationalen Forschungsprojekt

Wir freuen uns auf Ihre Mitwirkung an diesem spannenden Projekt!

Voraussetzungen: Gute Kenntnisse in Festkörperphysik, Spaß an interdisziplinärer Arbeit, experimentelles Geschick, Fähigkeit zur Teamarbeit in einem internationalen Umfeld.

Ansprechpartner

Dr. Felix Gunkel

Tel: 02461-615339

E-mail: Bitte diesem Link folgen.

Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Untersuchung der Schaltkinetik in resistiv schaltenden SrTiO3 Zellen

Resistive nanoionische Speicher (ReRAMs) bilden eine Gruppe von multifunktionalen, hochdichtenund ultraschnellen Speichern, die künftig als Ersatz u.a. für Flash-Speicher oder in sogenanntenneuromorphen Systemen eingesetzt werden können. Das Speicherkonzept von ReRAMs beruht aufeiner Widerstandsänderung des aktiven Materials auf der Nanometer Skala. DieseWiderstandsänderung in Metall-Isolator-Metall-Strukturen entsteht durch elektrisch-induziertelokale Redoxreaktionen in Übergangsmetalloxiden. Dabei können die Schaltphänomene mitunterschiedlicher Spannungspolarität erzeugt werden.

Oxid-Clusteranlage am PGI-7

Beispielhafte Pulslängenabhängigkeit der Schaltspannungen für SrTiO3 Zellen

Während der Schaltprozess in der sogenannten counter-eightwise Schaltrichtung („An-Schalten” mitnegativen Spannungen) sehr gut charakterisiert und verstanden ist, sind die Details des eightwise-Schaltvorgangs („An-Schalten” mit positiven Spannungen) noch unklar. Im Rahmen der Masterarbeitsoll die Kinetik des Schaltvorgangs durch Spannungspulse mit Pulslängen über vieleGrößenordnungen untersucht werden (Nanosekunden bis Sekunden). Die experimentellen Datenwerden anschließend anhand von Modellen analysiert (z.B. mit dem Mott-Gurney Gesetz fürIonenbewegung in Oxiden und der Butler-Volmer Gleichung für Elektrodenreaktionen).

Das Masterprojekt wird am IWE2 (RWTH Aachen) und am PGI-7 (Forschungszentrum Jülich)durchgeführt und beinhaltet folgende Aufgaben:

  • Herstellung epitaktischer SrTiO3 Schichten mittels gepulster Laserdeposition am electronic oxide cluster in Jülich (aktive Schicht der Bauelemente)
  • Strukturierung von Speicherzellen durch Fotolithografie
  • Elektrische Charakterisierung der SrTiO3 Speicherzellen durch Strom-Spannungs-Sweeps und Spannungespulse im Bereich von Nanosekunden bis Sekunden
  • Analyse der Schaltkinetik anhand mathematischer Modelle

Ansprechpartner:

Dr. Christoph Bäumer

Forschungszentrum Jülich GmbH, PGI-7

Tel: 02461-61-5339

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Masterarbeit in
Materialwissenschaften/Physik

Epitaktische Doppelperowskit-Dünnfilme für die Wasser-Elektrokatalyse

Wasser-Elektrokatalyse an epitaktischen Doppel-Perowskit-Oberflächen

Die effiziente Herstellung von Wasserstoff durch Elektrokatalyse ist zentrale Voraussetzung für die Nutzung von H2 als Energieträger der Zukunft. Dabei wird mittels maßgeschneiderter katalyti-scher Oberflächen Wasser direkt in seine Bestandteile O2 und H2 zerlegt (water splitting). Auf der Suche nach den effizientesten Materialien gehören komplex Oxide und Doppelperowskite zu den aussichtreichsten Kandidaten.

In dieser Masterarbeit sollen epitaktische Dünnschichten mit Nanometerpräzision hergestellt und näher Untersucht werden. Mittels gepulster Laser-Deposition werden dazu Doppelperowskit-Dünnschichten atomar definiert abgeschieden und die katalytischen Eigenschaf-ten untersucht. Ziel der Arbeit ist die Evaluation von „Structure-Property-Relations“ mit besonde-rem Fokus auf die Auswirkung der Sauerstoffunterstöchiomtrie in der Katalysatorschicht.

Das Masterprojekt beinhaltet folgende Aufgaben:

  • Herstellung epitaktischer Filme mittels gepulster Laserdeposition (Laser-MBE) und Varia-tion der Dünnfilm-Stöchiometrie und Orientierung
  • Elektrische und strukturelle Charakterisierung der Schichten (Transport, AFM und XRD)
  • Elektrochemische Charakterisierung der katalytischen Aktivität
  • Evaluation von der Funktionsmaterialien Schichten als katalytisches Oxid

Voraus­setzungen: Gute Kenntnisse in Festkörperphysik, Spaß an interdisziplinärer Arbeit, Experimentelles Geschick, Fähigkeit zur Teamarbeit in einem internationalen Umfeld.

Wir freuen uns auf Ihre Bewerbung für dieses spannende Projekt!

Ansprech­partner:

Dr. Felix Gunkel

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Masterarbeit in
Elektrotechnik/Physik

Modellierung memristiver Speicherzellen (ReRAMs)

Aufbau mit Temperaturverteilung während des Schlatens (rechts, Quelle: A. Marchewka) und Konzentrationsprofile der mobilen Spezies (rechts) einer resistiven Speicherzelle

Ziel: Modellierung des dynamischen Schaltverhaltens von memristiven Speicherzellen für künftige nichtflüchtige Tbit-Speicher

Aufgrund ihrer schnelleren Schaltzeiten, ihres niedrigeren Energieverbrauchs und ihrer guten Skalierbarkeit gelten memristive Speicherzellen (ReRAMs) als potentielle Nachfolger der Flash-Speicher für die nächste Generation nichtflüchtiger Speicherbauelemente. ReRAMs sind Metall-Oxid-Metall-Strukturen, deren Widerstand durch Anlegen einer Spannung oder eines Stromes zwischen einem hochohmigen Zustand (OFF-Zustand der Zelle) und einem niederohmigen Zustand (ON-Zustand) geschaltet werden kann. Ein solches Schaltverhalten zeigen z. B. Zellen mit Ta2O5 als aktivem Material zwischen den Metallelektroden.

In dieser Arbeit soll ein Simulationsmodell entwickelt werden, das das dynamische Verhalten einer resistiven Speicherzelle beschreibt. Dazu soll ein bestehendes Modell, das die Drift und Diffusion der beweglichen Ladungsträger im Oxid beinhaltet, um mögliche Reoxprozesse zwischen Elektrode und Oxidmaterial (z.B. Oxidation/Reduktion der Metallelektrode) erweitert werden und anschließend das Schaltverhalten anhand von Simulationen untersucht werden.

Voraussetzungen:

Interesse an der Modellierung physikalischer Vorgänge, Programmierkenntnisse in C/C++, MATLAB sind hilfreich.

Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Stephan Menzel

WSH - Raum 24C413

Tel: 0241 80-27741

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Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Chemie/Physik

Defektchemie von neuartigen auf Ba und Co basierten Elektrokatalysatoren zur Wasserelektrolyse

Ziel: Aufklärung der Defektchemie in neuartigen Perovskit-Katalysatoren durch elektrische Charakterisierung.

Die Energiewende benötigt technische Lösungen zur Pufferspeicherung von umweltabhängigen, erneuerbaren Energien zur Anpassung der eingespeisten Leistung an den Strombedarf der Verbraucher um die Flexibilität der Stromproduktion von z.B. Kohlekraftwerken zu ersetzen.

Eine vielversprechende Lösung ist die Erzeugung von Wasserstoff mithilfe der elektrokatalytischen Wasseroxidation (Wasserelektrolyse). So erzeugter Wasserstoff kann eingelagert und bei Bedarf über Brennstoffzellen wiederum in Energie umgewandelt werden. Momentan mangelt es jedoch an kostengünstigen Katalysatoren, die geeignet sind einen dauerhaften und effizienten Einsatz zu gewährleisten. Das größte Verbesserungspotential wird an der Sauerstoffanode gesehen, weshalb sich diese Masterarbeit mit einem Materialsystem beschäftigt, dass für die Sauerstoffentwicklung entwickelt wurde.

Eine Abschlussarbeit in diesem Themenbereich würde folgende Aspekte beinhalten:

  • Herstellung und Lithografie von Dünnen Schichten
  • Elektrische, strukturelle und elektrochemische Charakterisierung
  • Auseinandersetzung mit Modellen der Defektchemie

Voraussetzungen

Zuverlässigkeit; Lösungsorientiertes Denken; Grundkenntnisse der Festkörper- und Oberflächenphysik sowie der physikalischen und der allgemeinen Chemie; Überdurchschnittliche Studienleistungen; Spaß an experimenteller, multidisziplinärer Arbeit in gruppenübergreifenden Teams.

Ansprechpartner

Daniel Bick

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oder: Dr. Ilia Valov

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