Promotionen (wiss. Mitarbeiter/innen)

Wir bieten eine Reihe von Stellen im Bereich der memristiven Oxide (SFB 917), im Bereich der Elektro­chemie und im Bereich der Ferro­elektrika/Piezo­elektrika an. Insbesondere Kandidaten mit über­durch­schnitt­lichen Leistungen möchten wir auffordern, sich mit Prof. Waser in Verbindung zu setzen. Eine Beteiligung an der Lehre des Instituts, insbesondere zu der Lehr­veranstaltung “Grundlagen elektronischer Materialien und Bau­elemente” wird im üblichen Rahmen erwartet.

Promotionsarbeit für Physiker, Elektrotechniker

Modellierung und Simulation memristiver Elemente für die Anwendung in neuromorphen Systeme

Neuromorphe Systeme stellen eine Alternative zu konventionellen Computern dar. Sie sind besonders gut geeignet zur Bearbeitung kognitiver Aufgaben wie Bilderkennung, automatische Sprachübersetzung, Analyse großer Datenmengen und bilden eines der Grundsteine des autonomen Fahrens. Zurzeit wird konventionelle Computerhardware zur Softwareimplementierung neuromorpher Systeme verwendet. Memristive Elemente ermöglichen die Entwicklung einer speziellen, völlig neuartigen Hardware für neuromorphe Systeme. Eine vielversprechende Klasse memristiver Elemente sind redox-basierte resistive Zellen (ReRAMs). Der Einsatz dieser Bauelemente verspricht den Energieverbrauch neuromorpher Hardware drastisch zu verringern.

In memristiven Bauelementen (wie z.B ReRAMs) kann dessen Widerstand mit Hilfe geeigneter Spannung eingestellt werden. Daher können sie als Synapsen in neuromorphen Systemen eingesetzt werden. Die Einstellung des Widerstandes muss dabei sehr gut kontrolliert werden können. Dazu wird ein gutes Verständnis der Schaltdynamik und des Schaltmechanismus benötigt. In ReRAMs wird der elektronische Widerstandswechsel durch die feldgetriebene Bewegung ionischer Defekte und Redox-Reaktionen auf der Nanoskala. Unsere Arbeitsgruppe ist weltweit führend im mikroskopischen Verständnis von ReRAM. Dieses Konzept zeigt experimentell bereits vielversprechende Ergebnisse, um die Anforderungen neuronaler Netze zu erfüllen. Um diese jedoch weiter zu verbessern und zu modifizieren ist ein weiteres Verständnis der involvierten physikalischen Prozesse essenziell. Zum Aufbau dieses Verständnisses sind Modellierungen und Simulation erforderlich. Dazu müssen physikalische Zusammenhänge entwickelt und in ein physikalisches Simulationsmodell übertragen werden. Der Vergleich von Simulation und Experiment ermöglicht die Validierung von Modellhypothesen, aber auch die Prädiktion des Schaltverhaltens für skalierte Devices. Zusätzlich können auf Basis eines physikalischen Simulationsmodells Designregeln für optimierte Zellen erarbeitet werden. Um die Brücke zwischen dem Verständnis der atomaren Prozesse und der Anwendung in neuromorphen Systemen mit einer Vielzahl dieser Bauelemente zu schlagen, ist ein Multiskalensimulationsansatz vonnöten. Dieser reicht von der atomaren Beschreibung über Kontinuumsrechnungen zu Kompaktmodellen für die Schaltungsanalyse.

Das Ziel der hier angebotenen Promotionsstelle soll sein, physikalische Simulationsmodelle für memristive Bauelemente zu entwickeln. Dazu sollen vor allem Kontinuumsmodelle eingesetzt werden. Basierend auf den Modellen sollen Designregeln für den Einsatz der memristiven Bauelemente entwickelt werden. Hierzu stehen dem Institut diverse kommerziellen Simulationstools und eigene Entwicklungsumgebungen zur Verfügung. Die Arbeit erfolgt in einem Team von Promotionsstudenten, welches insgesamt die Skalen von atomistischen Rechnungen bis zur Modellierung von Kompaktmodellen und Schaltungsdesign abdeckt.

Voraussetzungen

Überdurchschnittliche Studienleistung, Interesse an theoretischer und multidisziplinärer Arbeit in übergreifenden Teams. Grundkenntnisse der Bauelementphysik sowie der Simulation sind erwünscht.

Ansprechpartner

Dr. Stephan Menzel (st.menzel@fz-juelich.de oder menzel@iwe.rwth-aachen.de)

29.11.2018

Promotionsarbeit in Elektrotechnik, Physik, Materialwissenschaften

Technologie nanoskaliger memristiver Elemente für das neuromorphe Computing

Das Peter-Grünberg-Institut 7 (PGI-7) gehört zur Forschungszentrum Jülich GmbH und betreibt gemeinsam mit der RWTH Aachen Forschung und Entwicklung in der Jülich Aachen Research Alliance (JARA). Der Fokus unserer Gruppe ist es, neue elektronische Materialien, Bauelemente und Schaltungen für die zukünftige Informationstechnik zu entwickeln.

(a) Messaufbau für Chip-Prototypen (b) Passives Crossbar-Array von memristiven Speichern

Forschungsbereich

Wir erforschen im Rahmen der energieeffizienten Informationstechnik (Green IT) Chips für die nächste Computer-Generation. Dazu werden innovative Materialien, Bauelementstrukturen und Schaltkreise benötigt, um das steigende Verlangen nach mehr Rechenleistung zu erfüllen und gleichzeitig den Energieverbrauch pro arithmetischer Operation zu verringern. Unsere Forschung führt die Expertise aus den Bereichen Physik, Materialwissenschaften und Elektrotechnik zusammen, mit dem Ziel neue, energieeffiziente elektronische Bauelemente und Schaltkreise zu entwerfen, die auf elektronischen Eigenschaften von Oxiden basieren.

Aufgabe

In diesem Projekt sollen Chalkogenid-basierte Selektor-Bauelemente mit memristiven Speichern, basierend auf binären Übergangsmetalloxiden (Ta2O5, HfO2, TiO2), auf der Nanoskala (< 100 nm) in einer passiven Crossbar-Architektur integriert werden. Dazu sollen Nano-Bauelemente und kleine Prototyp-Schaltungen entworfen werden, die gemeinsam mit anderen Projektmitgliedern in einem Reinraum mit Klasse-100 (Helmholtz Nanoelectronic Facility, HNF) hergestellt werden. Nach der Herstellung sollen die Bauelemente und Schaltungen durch verschiedene logik-spezifische elektrische Messungen charakterisiert werden.

Profil

  • Masterabschluss in Physik, Chemie, Elektrotechnik oder den Materialwissenschaften mit einer sehr guten Note
  • Erfahrungen mit Photolitographie, Nass-/Trockenätzverfahren, Abscheidung von Dünnschichten, oder E-Beam-Lithographie und Nanoimprint-Lithographie
  • Interesse an Halbleiterprozessierung, sowie Bauelement- und Schaltkreis-Charakterisierung
  • Gutes Grundlagen-Wissen über Halbleiterbauelemente wie Diode, MOSFET, sowie über die CMOS-Technologie
  • Sehr gute Englischkenntnisse (schriftlich und mündlich)
  • Teamfähigkeit und kritisches Hinterfragen erforderlich

Unser Angebot

  • Exzellentes wissenschaftliches Umfeld und technische Einrichtungen auf dem Campus
  • Gelegenheit, Teil einer nationalen und internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft zu werden
  • Internationale, interdisziplinäre Arbeitsumgebung auf einem attraktiven Campus mit idealer Lage zwischen Köln, Düsseldorf und Aachen
  • Volles Promotionsstipendium (begrenzt auf 3 Jahre)

Kontakt

Für weitere Informationen zum Projekt bitte Dr. Vikas Rana (v.rana@fz-juelich.de)
oder Prof. R. Waser (r.waser@fz-juelich.de) kontaktieren,

Bitte die Bewerbung inklusive relevanter Dokumente und persönlicher Interessen,
per E-Mail an r.waser@fz-juelich.de senden.

Prof. Rainer Waser
Peter Grünberg Institut (PGI-7)
Forschungszentrum Jülich
52425 Jülich

29.11.2018

Promotionsarbeit in Physikalischer Chemie, Physik, Materialwissenschaften, Elektrotechnik

Elektrochemie auf der Nanoskala

Das Verständnis elektrochemischer Prozesse und deren Kontrolle ist für viele Anwendungen, angefangen bei Oberflächenveredelung, über Akkumulatoren und Brennstoffzellen bis hin zur Kontrolle einzelner Ionen, um bestimmte Materialeigenschaften einzustellen, von entscheidender Bedeutung.

Insbesondere die Kontrolle von nur wenigen Atomen und Ionen auf der Nanometerskala gestaltet sich allerdings noch schwierig, und viele Fragen über die exakten elektrochemischen Prozesse sind noch unbeantwortet. Aufgrund der extrem hohen elektrischen Felder und Überpotentiale die hier vorliegen, ergeben sich neue Herausforderungen aber auch neue Anwendungen. So lassen sich zum Beispiel eigentlich nicht-leitende Materialien durch die Kontrolle von extrinsischen oder intrinsischen ionischen Defekten reversibel zwischen einem elektrisch leitenden und isolierenden Zustand schalten. Hierbei können sich diese Isolatoren wie Elektrolyte verhalten und Ionenbewegung zulassen. Dies ermöglicht die Entwicklung von neuartigen, überlegenen Informationsspeichern, den sogenannten redox-basierten ReRAM’s. Auch ist die Nachbildung von neuronalen Funktionen, vergleichbar mit den Vorgängen in unserem Gehirn, möglich, was ein ganz neues Kapitel in der Computertechnik und künstlicher Intelligenz öffnen kann. Ferner können diese Metall-Isolator-Metall-Systeme als Sensoren für verschiedenste Anwendungsgebiete eingesetzt werden. So können unter anderem Druck, Feuchtigkeit und Temperatur anhand der elektrochemischen Potentiale bestimmt werden.

Das Ziel der hier angebotenen Promotionsstelle soll sein, ein tieferes Verständnis der Redox-Prozesse an verschiedenen Grenzflächen und Materialkombinationen zu entwickeln und zudem die Ionenbewegung (feldgetriebene Driftbewegung sowie konzentrationsgetriebene Diffusionsprozesse) durch die Isolatoren zu untersuchen. Hierzu stehen dem Institut in Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik II der RWTH Aachen verschiedenste strukturelle, mikroskopische, spektroskopische sowie elektrische Charakterisierungsmethoden zur Verfügung.

Voraussetzungen:

Überdurchschnittliche Studienleistungen; Spaß an experimenteller, multidisziplinärer Arbeit in gruppenübergreifenden Teams. Grundkenntnisse der Festkörperphysik sowie der Elektrochemie erwünscht.

Ansprechpartner:

Dr. Ilia Valov (i.valov@fz-juelich.de oder valov@IWE.RWTH-Aachen.de)

22.10.2018

PhD position in Forzungszentrum Jülich on Neuromorphic computing

The MAMMAL Learning Machine: A Hierarchical Memory Approach Based on Resistive Switching Memory for Neo-Cortex Inspired Machine Learning of Temporal and Spatial Series

Topic: Neuromorphic computing is becoming increasingly important to solve cognitive tasks in applications such as image recognition, automatic translation, large data analysis, and autonomous driving. Its concept relies on brain-inspired artificial neural networks, that are trained rather than programmed. However, today’s successful so-called Deep-Learning systems are only running on software and are still implemented on classical von Neumann computers, which makes them very energy inefficient compared to the brain. Furthermore, their need for massive training data and supervised learning indicates that our brains function very differently.

Hence, the need for a better understanding of the brain, together with improved hardware to mimic that brain functionality. The proposed research work will aim at combining both. It will investigate in more detail Neuroscience based alternative “algorithms” for neuromorphic computing, based on the so-called Hierarchical Temporary Memory concept. The hardware implementation of these algorithms will be realized on resistive switching ReRAM devices, which constitute a new type of emerging memristive devices. The intrinsic variability of these devices offers the potential to store probabilities, and by that to make circuits that not only recognize but also predict.

Institutes:

As this research directly links neuroscience insights with emerging device properties, it spans over two different institutes: the Computational and Systems Neuroscience (INM-6, Prof. Markus Diesmann) Institute and the JARA-Institute Green IT (PGI-10 Prof.’s Rainer Waser, Matthias Wuttig, and Tobias Noll). The role of the INM-6 institute is to provide insights in network structure and connectivity, role of prediction/comparison, and data representation in the brain and, eventually, simulation of the “learning system” elements using platforms as NEST. The role of PGI-10 is on learning system and algorithm development, as well as on the optimization of different types of RS devices (Redox-based resistive RAM as well as Phase Change memory devices).

Type of work:

The work consist of building and programming of a prototype system around a ReRAM array, on which different learning algorithms will be implemented and evaluated.

Preferred profile of candidate:

Electronic Engineer

Interesting read:

“On Intelligence”, author Jeff Hawkins

Contact person for more information:

Dr.Dirk Wouters (wouters@iwe.rwth-aachen.de)

09.03.2018

Promotionsarbeit für Elektrotechniker, Physiker, Materialwissenschaftler, Physikochemiker

Elektrokatalytische Wasseroxidation

Ziel: Mikroskopisches Verständnis des Anodenprozesses der Wasserelektrolyse und neue Metalloxide als Elektrodenmaterialien

Die großtechnische Wasserelektrolyse wird den wichtigsten Prozess in der künftigen Energie-Infrastruktur darstellen. Der gewonnene Wasserstoff wird in Brennstoffzellen-basierten Fahrzeugen (PkW, Busse, etc.) eingesetzt werden. Zugleich ist er der Schlüssel zur Lösung des Speicherproblems der regenerativen Energieerzeugung, da er – wie heute Erdgas – in großen Gaskavernen als strategische Reserve der Bundesrepublik gespeichert werden kann.

Die Verbesserung der Effizienz der Wasserelektrolyse – und aufgrund des elektrischen Überpotentials insbesondere die Oxidationsseite – ist hierbei die größte Herausforderung für die Forschung & Entwicklung. Diese kann nur durch ein mikroskopisches Verständnis der elektrokatalytischen Teilschritte und ein daraus abgeleitetes, neuartiges Konzept für Elektrodenmaterialien bewältigt werden. Gegenüber bestehenden Lösungen ist der Anteil an Edelmetallen bei geringerem Überpotential in der Zelle zu verringern und die Lebensdauer zu erhöhen.

Zu den Aufgaben in der geplanten Promotionsarbeit (PGI-7, FZ Jülich / IWE2, RWTH Aachen) gehören:

  • Herstellung epitaktischer Oxid-Dünnschichten mittels Pulsed Laser Deposition (PLD)
  • Charakterisierung der Oberflächen-Morphologie mittels SEM und AFM, Strukturanalyse mittels XRD
  • Analyse der elektronischen Struktur (Fermi-Niveau, Zustandsdichteverteilung) mittels XPS und Nano-ESCA; elektronische Transporteigenschaften mittels Hall-Messungen
  • Elektrochemische Charakterisierung mittels potentiostatischen und potentiodynamischen Strom-Spannungs-Messungen
  • In-situ Tunnelmikroskopie- und spektroskopie, In-situ TEM (in Koop. Mit dem ER-C)
  • Modellentwicklung der molekularen Teilschritte einschl. der Elektronentransfer-Reaktion
  • Studien an alternativen Metalloxid-Systemen

Voraus­setzungen:

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

Ansprech­partner:

Prof. Dr. Rainer Waser (waser@iwe.rwth-aachen.de)
oder: Dr. Ilia Valov (i.valov@fz-juelich.de)


11.07.2013

Promotionsarbeit für Physiker, Chemiker

Metalloxidcluster als neuartige resistive Schaltelemente

Die kontinuierliche Verkleinerung von konventionellen CMOS-Bauelementen hat in der Vergangenheit zu einem steten Anstieg an Speicherkapazität und Rechenleistung geführt. Da diese Entwicklung aber zunehmend an physikalische Grenzen stößt, müssen alternative Technologien entwickelt werden. Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung von molekularen Systemen als Informationsträgern. Die bereits erfolgreich etablierte Technik des resistiven Schaltens zwischen verschiedenen elektrischen Leitfähigkeiten von Metall­oxid­filmen eignet sich hierfür in besonderem Maße (? ReRAMs). Durch Verwendung von Metalloxid-Clustern als Ersatz für die bislang üblichen Dünnschichtsysteme bietet sich die Möglichkeit zur Entwicklung neuartiger Speicherzellen im Nanometermaßstab.

Im Institut für elektronische Materialien (PGI-7) des Forschungszentrums Jülich ist ab Januar 2016 im Rahmen einer Kooperation mit dem Institut für Anorganische Chemie der RWTH Aachen eine Stelle für


eine wissenschaftliche Mitarbeiterin
oder einen wissenschaftlichen Mitarbeiter
(Entgeltgruppe 13 TV‑L)

mit der Hälfte der regelmäßigen Arbeitszeit befristet für die Dauer von 3 Jahren zu besetzen. Die Beschäftigungsdauer richtet sich nach den Vorschriften des Wissen­schafts­zeit­vertrags­gesetzes.

Im Rahmen der Promotion sollen verschiedene komplexe Polyoxovanadate (POV) auf ihre Eigenschaften zum resistiven Schalten hin untersucht werden. Hierzu wird zunächst die Adsorption der Moleküle auf verschiedenen Oberflächen charakterisiert und anschließend deren Redoxzustand durch gezielten Ladungstransfer gesteuert. Die Aufgabenstellung umfasst zunächst die Überführung der Moleküle ins Ultrahochvakuum, die hochauflösende Abbildung sowie die elektronische Charakterisierung der Moleküle. Im finalen Schritt soll schließlich der molekulare Redoxzustand durch gezielten Ladungstransfer mit der STM-Spitze manipuliert werden, um unterschiedliche Informationszustände zu simulieren.

Anforderungen:

  • Abgeschlossenes wissenschaftliches Hochschulstudium (Diplom oder Master) im Fach Physik oder Chemie (bevorzugt mit Schwerpunkt Physikalische Chemie) mit der Note gut oder besser
  • Erfahrung im Umgang mit Rastersondenmikroskopie und / oder anderen oberflächensensitiven Untersuchungstechniken, möglichst auch unter Ultrahochvakuumbedingungen
  • Fähigkeit zum selbstständigen wissenschaftlichen Arbeiten
  • Gute schriftliche und mündliche Englischkenntnisse

Auskunft erteilt:

Dr. Kirill Monakhov (Institut für Anorganische Chemie, RWTH Aachen),
Email: kirill.monakhov@ac.rwth-aachen.de
Dr. Marco Moors (Peter Grünberg Institut, FZ Jülich),
Email: m.moors@fz-juelich.de