Physical mechanisms in ionic conductive bridging devices as studied by nanoscopic observation and manipulation.

De beweging van ionen in dunne lagen kan leiden tot structurele veranderingen in de lokale geleidbaarheid van het materiaal. De sterk opkomende resistieve geheugencellen danken bvb. hun werking aan ionenmigratie; op nanoschaal kan een geleidend filament worden gevormd of ontbonden in een isolerende matrix. De verandering van de weerstand van dergelijke materialen kan worden gebruikt voor het opslaan van een logische bit of voor onconventionele berekeningen in ultra kleine apparaten.
Het is echter geen evidente zaak om door de verplaatsing van ionen in de ruimte de interne status van zulke kleine cellen (< 20 nm) te regelen. Het verplaatsen van ionen onder dergelijke omstandigheden ligt namelijk op de grens tussen de klassieke fysica en de kwantummechanica. Het hele schakelingsmechanisme is gebaseerd op redoxreacties op atomaire schaal en de beweging van ionen in een beperkt volume (tientallen nm³). Dit cre\"{e}erde een kloof tussen het begrijpen van de fysische veranderingen, de theoretische modellen en de experimentele resultaten. 

De doelstelling van dit doctoraatswerk is om het verband te leggen tussen de macroscopische schakeling van de weerstand en de nanoscopische mechanismen. Door middel van raster-sonde microscopie-(SPM) methodes, maken, observeren en manipuleren we deze geleidende filamenten. We karakteriseren de fundamentele schakelmechanismen op nanoschaal voor de op kation- en anion gebaseerde resistieve geschakelde geheugencellen. We gebruiken de staal-sonde interactie als hefboom om het resistief schakelgedrag in het sub-10 nm regime te onderzoeken. De fundamentele kennis omtrent de vorming en het scheuren van de filamenten die we op die manier vergaren, gebruiken we nadien om ook ge\"{i}ntegreerde geheugencellen beter te begrijpen. Het is namelijk voor de eerste keer dat we geheugencellen in re\"{e}le operationele omstandigheden onderzoeken in 3 dimensies door toepassing van een nieuwe 3D tomografische techniek, scalpel SPM genaamd. Door de combinatie van de extreem hoge spatiale resolutie en de precieze krachtcontrole van de raster-sonde microscoop, konden we een 'slice-and-view' procedure ontwikkelen om ook drie dimensioneel  kleine volumes (~ 100 nm³)  met een resolutie van enkele nm elektrisch te onderzoeken.