Datenspeicher für morgen

Supramolekulare Memristoren auf Basis bistabler [2]Catenane

04.10.2023

In Zeiten von Big Data und künstlicher Intelligenz reichen übliche Speichermedien nicht mehr. Neue Generationen sind gefragt, die die Forderung nach hochdichter Speicherung und Energieeffizienz erfüllen. Etwa das Resistive Random Access Memory (RRAM), das Daten nicht durch Flipflops, sondern anhand von Änderungen des Widerstands speichert. Ein Forschungsteam stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie einen Ansatz für einen supramolekularen Memristor vor, eine Schlüsselkomponente für die Konstruktion eines Nano-RRAMs.

Ein Memristor (kurz für „Memory-Resistor“) ändert seinen Widerstand je nach angelegter Spannung. Einen Memristor im molekularen Maßstab zu konstruieren, ist jedoch eine enorme Herausforderung: Widerstandsschaltungen lassen sich zwar gut über Redox-Reaktionen realisieren und in einem Elektrolyt lassen sich die geladenen Zustände von Molekülen auch leicht durch Gegenionen stabilisieren, innerhalb der für einen Memristor benötigten Festkörper-Kontakte gestaltet sich diese Stabilisierung jedoch sehr schwierig.

Das Team um Yuan Li von der Tsinghua-Universität in Peking hat jetzt einen supramolekularen Ansatz gewählt. Er basiert auf einem [2]Catenan, das bistabil ist, d.h. sowohl oxidierte als auch reduzierte Zustände sind stabil und das Catenan kann positiv, negativ und ungeladen vorliegen. Ein [2]Catenan ist ein System aus zwei großen molekularen Ringen, die wie zwei Glieder einer Kette ineinander verschränkt, aber nicht chemisch verknüpft sind.

Um einen Memristor zu konstruieren, tragen sie das Catenan auf eine mit einer schwefelhaltigen Verbindung beschichteten Goldelektrode auf, wo es durch elektrostatische Wechselwirkungen gebunden wird. Obenauf kommt die zweite Elektrode aus einer mit Galliumoxid beschichteten Gallium-Indium-Legierung. Das Catenan bildet eine selbstorganisierte Monoschicht aus flach liegenden Molekülen zwischen den beiden Elektroden. Dieses als Au^TS-S-(CH₂)₃-SO₃^–Na⁺//[2]Catenan//Ga₂O₃/EGaIn bezeichnete Ensemble bildet den Memristor.

Wie für RRAMs gefordert, können die neuartigen supramolekularen Memristoren, je nach angelegter Spannung, zwischen einem Zustand mit hohem Widerstand (aus) und einem Zustand mit geringem Widerstand (an) hin und her geschaltet werden. Mindestens 1000 Zyklen – Löschen–Lesen (An)–Schreiben–Lesen (Aus) – schafften die molekularen Widerstandsschaltungen bereits. Das Schalten zwischen An und Aus erfolgt deutlich unterhalb einer Millisekunde, was mit kommerziellen anorganischen Memristoren vergleichbar ist. Den jeweils eingestellten Zustand – An oder Aus – „merkte“ sich die molekulare Schaltung bereits über mehrere Minuten. Damit sind sie ein vielversprechender Ausgangspunkt für effektive molekulare Memristoren mit nicht-volatilen Speicherfähigkeiten. Zusätzlich wirken sie als Dioden, d.h. wie ein Gleichrichter, was sie besonders interessant als Bauteile für die Entwicklung von Nano-RRAMs auf molekularer Basis macht.

Originalveröffentlichung

Yu Xie, Cai‐Yun Wang, Ningyue Chen, Zhou Cao, Guangcheng Wu, Bangchen Yin, Yuan Li; "Supramolecular Memristor Based on Bistable [2]Catenanes: Toward High‐Density and Non‐Volatile Memory Devices"; Angewandte Chemie International Edition, 2023-9-12

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