An der TU Dresden haben Wissenschaftler des Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) sowie des Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) eine neuartige Speichertechnologie entwickelt, die aus der Kombination einer organischen Leuchtdiode (OLED) und eines Isolators entstand. Mit diesem Bauelement ist es möglich, die gespeicherten Informationen sowohl optisch als auch elektrisch auszulesen. Zudem lassen sich die Informationen schrittweise hinzufügen -  somit können mehrere Speicherzustände in einem Bauelement abgebildet werden. Die Ergebnisse wurden nun in der renommierten Fachzeitschrift „Advanced Functional Materials“ veröffentlicht. Eine Neuerung kam auch bei sämtlichen Messungen in den Versuchsreihen zum Tragen: Diese wurden ausschließlich mit der innovativen Messsoftware „SweepMe!“ durchgeführt, welche vom gleichnamigen Start-Up des IAPP sowie des cfaed entwickelt wurde.

Der Beginn dieser Geschichte liegt einige Jahre zurück, genauer gesagt im Jahr 2015. Zwei cfaed-Wissenschaftler, beide Fachleute auf dem Gebiet der organischen Elektronik, befinden sich auf der Fahrt zu einer Konferenz in Brasilien, eine lange Busfahrt trennt sie noch vom Veranstaltungsort Porto de Galinhas. Viel Zeit zum Reden. Und so kommt es, dass der eine – Prof. Stefan Mannsfeld (Professur für Organische Bauelemente, cfaed / IAPP) – dem anderen – Dr. Axel Fischer (Professur für Organische Halbleiter, IAPP) von einer Idee erzählt, die er schon eine Weile im Kopf mit sich herumträgt:

Die Kombination herkömmlicher organischer Leuchtdioden (OLEDs) mit einer Isolatorenschicht müsste aufgrund der spezifischen physikalischen Effekte der verwendeten Materialien eine Speichereinheit ergeben, die sowohl mit Licht als auch mit elektrischen Signalen beschrieben und ausgelesen werden kann, so die Idee. Man könnte also von einer zweckentfremdeten Nutzung der OLED-Technik sprechen. Und wie sich herausstellte, hatten sich hier genau die Richtigen getroffen – denn Dr. Fischer konnte berichten, dass die notwendigen Technologien und Erfahrungen am IAPP bereits vorhanden sind – und so war eine wissenschaftliche Erforschung dieser Idee quasi beschlossene Sache. Einige Zeit später war mit Yichu Zheng am Lehrstuhl von Prof. Mannsfeld auch die passende Doktorandin gefunden, die sich diesem Thema widmen würde.

Speichern und Lesen – mit Licht und Strom

Nun liegt das Ergebnis vor und wurde soeben in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht. Die Wissenschaftler beschreiben darin eine neue Art von programmierbarem organischem kapazitivem Speicher, der eine Kombination aus einer OLED und einem MOS-Kondensator (MOS = Metalloxid-Halbleiter) ist. Die „pinMOS“ genannte Speichereinheit ist ein nichtflüchtiger Memcapacitor mit hoher Wiederholgenauigkeit und Reproduzierbarkeit. Das Besondere ist, dass der pinMOS in der Lage ist, mehrere Zustände zu speichern, da Ladungen schrittweise hinzugefügt oder entfernt werden können. Eine weitere attraktive Eigenschaft ist, dass dieser einfache diodenbasierte Speicher elektrisch und optisch sowohl beschrieben als auch ausgelesen werden kann. Aktuell wird eine Lebensdauer von mehr als 10⁴ Schreib-Lese-Lösch-Zyklen erreicht, und die Speicherzustände können über 24 Stunden erhalten und unterschieden werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das pinMOS-Speicherprinzip als zuverlässiges kapazitives Speichermedium für zukünftige Anwendungen in elektronischen und photonischen Schaltungen wie in neuromorphen Computern oder visuellen Speichersystemen vielversprechend ist. Die Koautoren vom Weierstraß-Institut Berlin (WIAS) konnten durch Drift-Diffusionssimulationen zur genauen Interpretation des Funktionsmechanismus beitragen.

Ein Dioden-Kondensator-Speicher wurde bereits 1952 erstmals von Arthur W. Holt auf einer ACM-Konferenz in Kanada vorgestellt, doch erst jetzt erfährt dieses Konzept durch die Verwendung organischer Halbleiter ein Revival, da alle Funktionen einer diskreten Verbindung von Dioden und Kondensator in eine einzige Speicherzelle integriert werden können.

Messen mit SweepMe! – innovativer Ansatz fürs Labor

Alle Messungen innerhalb dieser Studie wurden mit der neuartigen Labor-Messsoftware „SweepMe!“ durchgeführt. Diese wurde von einem Start-up entwickelt, welches eine Ausgründung der TU Dresden ist. Die an der TUD promovierten Physiker Axel Fischer und Felix Kaschura hatten SweepMe! 2018 als Spin-off des IAPP ausgegründet.

In der vorliegenden Studie konnte mit SweepMe! beispielhaft gezeigt werden, wie vielfältig es einsetzbar ist. Ob die Messung von spannungsabhängigen und zeitabhängigen Kapazitäten, die Erstellung von Strom-Spannungskennlinien, die Kombination von Signalgenerator und Oszilloskop oder die Verarbeitung von Bildern einer Industriekamera – alles wurde mit ein und derselben Software umgesetzt. Auch ausgefeilte Parametervariationen, die normalerweise erheblichen Programmier-Aufwand erfordern würden, konnten so in kürzester Zeit realisiert werden. Seit Oktober 2019 ist SweepMe! weltweit kostenlos verfügbar.

Paper-Titel: Introducing pinMOS Memory: A Novel, Nonvolatile Organic Memory Device
DOI: 10.1002/adfm.201907119
Autoren: Yichu Zheng, Axel Fischer, Michael Sawatzki, Duy Hai Doan, Matthias Liero, Annegret Glitzky, Sebastian Reineke, Stefan C. B. Mannsfeld
Medium: Advanced Functional Materials, veröffentlicht 07. November 2019

Die Studie ist eine Kooperation von TU Dresden (Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials – IAPP; Center for Advancing Electronics Dresden – cfaed) und Weierstraß-Institut Berlin.

Informationen für Journalisten:

TU Dresden, Center for Advancing Electronics Dresden:
Prof. Stefan Mannsfeld
Professur für Organische Bauelemente
Tel.: 0351 463-39923

Matthias Hahndorf
cfaed Wissenschaftskommunikation
Tel.: 0351 463-42847

SweepMe!
Dr. Axel Fischer
Tel.: 0351 41882423

https://sweep-me.net/

Über das cfaed
Das cfaed ist ein Forschungscluster der TU Dresden (TUD). Als interdisziplinäres Forschungszentrum für Perspektiven der Elektronik ist es als Zentrale Wissenschaftliche Einrichtung an der TUD angesiedelt, bindet jedoch neben der TU Chemnitz auch neun außeruniversitäre Forschungsreinrichtungen in Sachsen als Kooperationsinstitute ein. Mit seiner Vision möchte der Cluster die Zukunft der Elektronik gestalten und revolutionär neue Applikationen initiieren, wie bspw. Elektronik, die keine Bootzeit benötigt, die fähig zur THz-Bildgebung ist, oder komplexe Biosensorik unterstützt. Mit diesen Innovationen werden Leistungssteigerungen und Anwendungen denkbar, die mit der Fortsetzung der heute üblichen, auf Siliziumchips basierenden Technologie nicht möglich wären. Um seine Ziele zu erreichen, vereint cfaed den Erkenntnisdrang der Naturwissenschaften mit der Innovationskraft der Ingenieurwissenschaften. www.cfaed.tu-dresden.de