Abteilung Elektronenmikroskopie

Die Aufgabe unserer vom Europäischen Forschungsrat (ERC) geförderten Gruppe für fortgeschrittene Elektronenmikroskopie (AEM) besteht darin, Struktur-Eigenschafts-Leistungs-Korrelationen auf atomarer Ebene in funktionalen Materialsystemen zu ermitteln. Basierend auf unserer Fachkompetenz auf dem Gebiet der aberrationskorrigierten Rastertransmissionselektronenmikroskopie für die Bildgebung und Analyse mit atomarer Auflösung in den Materialwissenschaften wollen wir modernste in situ/operando (S)TEM für stimulierbasierte Studien (d.h. Temperatur, elektrische Vorspannung, Gas und Kühlen) entwickeln und anwenden. Eine weitere Richtung wird die Implementierung und Anwendung von impulsaufgelösten STEM (4D-Daten) sein. Wir haben auch ein starkes Interesse an der Analyse großer Datenmengen für EM. Die Gruppe verfügt über ein breites internationales Kooperationsnetzwerk in Wissenschaft und Industrie.

Unsere Gruppe ist im Forschungsbereich M+M (Matter and Materials) der TU Darmstadt angesiedelt.

Prof. Molina-Luna ist Leiter des In Situ Microstructural Analytics Lab (InSituLab) des Center for Reliability Analytics (CRA), TU Darmstadt.

Bild: Rahel Welsen

Fachgebietsleiter

Prof. Dr. Leopoldo Molina-Luna Tel. +49 6151 16-20180 Fax. +49 6151 16-20185 Peter-Grünberg-Straße 2 D- 64297 Darmstadt Raum: L2|01 52

Learn more

Aktuelles

Eröffnung des iJRL-Workshops zur Memristortechnologie und des NCKU-TUDa-Workshops zur Memristortechnologie – vom Material zum energieeffizienten Rechnen

Prof. Molina-Luna war Teil der TUDa Delegation in Taiwan und hielt einen Vortrag auf dem NCKU-TUDa Workshop.

Das iJRL „Memristor Technology“ verfolgt das Ziel, relevante Aspekte der Grundlagen, der Technologie und der Nutzung von memristiven Bauelementen voranzutreiben. Es befasst sich mit den Materialeigenschaften und der Defektstruktur verschiedener Arten von Memristor-Realisierungen auf der Basis von oxidischen, magnetischen und ferroelektrischen Materialien. Auf der Anwendungsseite werden mehrere neuartige Rechenverfahren mit Memristoren zur Steigerung der Energieeffizienz behandelt, darunter FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), neuromorphe Berechnungen und speicherinterne Verarbeitung. Auf der Analyse- und Modellierungsseite besteht ein Alleinstellungsmerkmal darin, dass alle relevanten Skalen der Dichtefunktionaltheorie, der Mehrphasen- und Kompaktmodellierung sowie des Schaltungsentwurfs einbezogen werden. Die experimentelle Analyse korreliert fortschrittliche Methoden der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) mit physikalischen Modellen, die für die kompakte Simulation des Verhaltens von Modellbauelementen und Arrays verwendet werden. Damit etabliert das iJRL eine Methodik von innovativen Materialien über einzelne Bauelemente und Arrays bis hin zur Schaltungsebene, die auch für interessierte Partner im Bereich der elektronischen Materialien und der Halbleiterindustrie auf neu entstehende Materialien in diesem sich schnell entwickelnden Bereich übertragen werden kann.

Dienstag, 28. Februar 2023, 16.00 – 18.00 Uhr

Quantum Detectors und NanoMEGAS möchten Sie zu einem Seminar und einer Live-Demonstration der MerlinEM- und NanoMEGAS DigiSTAR-Präzessionshardware einladen, bei der 4D STEM und Präzession in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Darmstadt (TU Darmstadt) vorgestellt werden.

Bei dieser Veranstaltung werden Vorträge von allen drei Institutionen, Quantendetektoren, NanoMEGAS und der TU Darmstadt, zu hören sein. Die Gruppe von Prof. Dr. Leopoldo Molina-Luna wird eine Live-Demonstration ihres JEOL ARM-200F geben, die die Fähigkeiten des MerlinEM zusammen mit der NanoMEGAS DigiSTAR Präzessionshardware zeigt. Sie erhalten auch VIP-Zugang hinter die Kulissen, um das Labor der TU Darmstadt und den JEOL ARM-200F zu besichtigen.

Diese Veranstaltung findet parallel zur Mikroskopie-Konferenz in Darmstadt statt und kann auch virtuell besucht werden, falls Sie nicht nach Darmstadt kommen können. Quantum Detectors wird auch auf der MC Darmstadt 2023 ausstellen.

Wir hoffen, Sie dort zu sehen. Melden Sie sich unten an!

Link für die Anmeldung: https://forms.gle/DLvF2onJV49WmiVG8

Posterpreis für Naturwissenschaften auf der Princeton-Nature-Konferenz 2nd Frontiers in Electron Microscopy for Physical and Life Sciences Konferenz 2022

Diese Urkunde ist eine Anerkennung für den Posterpreis, der Leopoldo Molina-Luna auf der Konferenz „2nd Frontiers in Electron Microscopy for Physical and Life Sciences Princeton-Nature“ vom 28. bis 30. September 2022 verliehen wurde. Als Anerkennung für die Posterpräsentation der Arbeit seines Labors erhielt Leopoldo ein einjähriges Abonnement der internationalen Wissenschaftszeitschrift Nature.

OPERANDO ZWEI-TERMINAL-GERÄTE IN EINEM TRANSMISSIONSELEKTRONENMIKROSKOP

Oscar Recalde-Benitez1, Tianshu Jiang1, Robert Winkler1, Alexander Zintler1, Yating Ruan2, Esmaeil Adabifiroozjaei1, Alexey Arzumanov2, Tijn van Omme3, William A. Hubbard4,5 Yevheniy Pivak3, Hector H. Perez-Garza3, B. C. Regan 4,5, Philipp Komissinskiy2, Lambert Alff2 and Leopoldo Molina-Luna1*

1. Advanced Electron Microscopy Division, Department of Materials- and Earth Science, Technical University of Darmstadt, Darmstadt, Hessen, Germany.

2. Advanced Thin Film Technology Division, Department of Materials- and Earth Science,Technical University of Darmstadt, Darmstadt, Hessen, Germany.

3. DENSsolutions, Delft, Netherlands.

4. NanoElectronic Imaging, Inc., Los Angeles, CA, USA.

5. University of California, Los Angeles and the California NanoSystems Institute, Los Angeles, USA.

Unsere aktuellen Publikationen

Strukturelle und elektrische Reaktion von aufstrebenden Speichern, die Schwerionenstrahlung ausgesetzt sind

Funktionsschichten auf Hafniumoxid- und GeSbTe-Basis sind vielversprechende Kandidaten für Materialsysteme für neue Speichertechnologien. Sie werden auch als Anwärter für Anwendungen in strahlungsarmer Umgebung diskutiert. Die Prüfung der Widerstandsfähigkeit gegen Ionenstrahlung ist von großer Bedeutung, um Materialien zu identifizieren, die für künftige Anwendungen neuer Speichertechnologien wie oxidbasierte, ferroelektrische und Phasenwechsel-Direktzugriffsspeicher geeignet sind. Induzierte Veränderungen der kristallinen und mikroskopischen Struktur müssen berücksichtigt werden, da sie direkt mit den Speicherzuständen und Ausfallmechanismen der neuen Speichertechnologien zusammenhängen. Daher stellen wir die durch Schwerionenbestrahlung induzierten Effekte in neu entstehenden Speichern vor, die auf verschiedenen Speichermaterialien basieren, insbesondere auf HfO2-, HfZrO2- und GeSbTe-basierten Dünnschichten. Diese Studie zeigt, dass die anfängliche Kristallinität, die Zusammensetzung und die Mikrostruktur der Speichermaterialien einen grundlegenden Einfluss auf ihre Wechselwirkung mit schnellen Au-Schwerionen haben. Damit liefern wir ein Testprotokoll für Bestrahlungsexperimente von neu entstehenden Speichern auf Hafniumoxid- und GeSbTe-Basis, das strukturelle Untersuchungen durch Röntgenbeugung im makroskopischen Bereich, Rastertransmissionselektronenmikroskopie im mikroskopischen Bereich und die elektrische Charakterisierung von realen Bauteilen kombiniert. Solche grundlegenden Untersuchungen können auch für künftige Anwendungen von Bedeutung sein, wenn man den Übergang von digitalen zu analogen Speichern mit einer Vielzahl von Widerstandszuständen bedenkt.

Mehr erfahren

Kontrolle der Bildung leitfähiger Pfade in memristiven Geräten

Resistive Direktzugriffsspeicher sind vielversprechende Kandidaten für neuartige Computerarchitekturen wie In-Memory-Computing, Multilevel-Datenspeicherung und Neuromorphik. Ihr Funktionsprinzip basiert auf elektrisch stimulierten Materialänderungen, die den Zugriff auf zwei (digitale), mehrere (mehrstufige) oder quasi-kontinuierliche (analoge) Widerstandszustände ermöglichen. Die stochastische Natur der Bildung und des Umschaltens des leitenden Pfades beinhaltet jedoch komplexe atomistische Defektkonfigurationen, die zu einer erheblichen Variabilität führen. Diese Arbeit zeigt, dass das komplizierte Zusammenspiel von 0D- und 2D-Defekten so gestaltet werden kann, dass eine reproduzierbare und kontrollierte Niederspannungsbildung von leitenden Filamenten erreicht wird. Die Autoren stellen fest, dass die Orientierung der Korngrenzen in polykristallinem HfOx direkt mit der erforderlichen Formationsspannung der leitenden Filamente zusammenhängt, wodurch ein vernachlässigter Ursprung der Variabilität aufgedeckt wird. Basierend auf der realistischen atomaren Struktur von Korngrenzen, die durch ultrahochauflösende Bildgebung in Kombination mit Berechnungen nach ersten Prinzipien, einschließlich lokaler Dehnungen, erhalten wurde, zeigt diese Arbeit, wie die Segregationsenergien von Sauerstofflücken und die damit verbundenen elektronischen Zustände in der Nähe des Fermi-Niveaus die Bildung von leitenden Bahnen in memristiven Bauelementen bestimmen. Diese Erkenntnisse sind auf nicht-amorphe memristive Bauelemente mit fadenförmigem Valenzwechsel anwendbar. Die Ergebnisse zeigen, dass ein grundlegendes atomistisches Verständnis der Defektchemie von zentraler Bedeutung für die Entwicklung von Memristoren als Schlüsselelement der zukünftigen Elektronik ist.

Mehr erfahren

Verbesserte Leitfähigkeit und Mikrostruktur in hochtexturierten TiN1-x/c-Al2O3-Dünnschichten

Titannitrid-Dünnschichten werden als Elektrodenmaterial in supraleitenden (SC) Anwendungen und in der Oxidelektronik verwendet. Durch die Steuerung der Defektdichte in der TiN-Dünnschicht können die elektrischen Eigenschaften der Schicht niedrige Widerstände und eine hohe kritische Temperatur (Tc) nahe den Volumenwerten erreichen. Im Allgemeinen werden niedrige Defektdichten durch stöchiometrisches Wachstum und eine geringe Korngrenzendichte erreicht. Aufgrund der geringen Gitterfehlanpassung von 0,7 % werden die besten TiN-Schichten epitaktisch auf MgO-Substraten aufgewachsen. Hier berichten wir zum ersten Mal über eine Tc von 4,9 K für ultradünne (23 nm), stark texturierte (111) und stöchiometrische TiN-Schichten, die auf Al2O3-Substraten mit 8,75 % Gitterfehlanpassung (Saphir) gewachsen sind. Wir zeigen, dass mit zunehmendem Stickstoffmangel die (111)-Gitterkonstante zunimmt, was mit einer Abnahme von Tc einhergeht. Bei TiN-Dünnschichten mit hohem N-Mangel konnte keine Supraleitfähigkeit beobachtet werden. Darüber hinaus konnte eine Dissoziation von Korngrenzen (GBs) durch die Emission von Stapelfehlern beobachtet werden, was auf eine Kombination von zwei Quellen für Elektronenstreudefekte im System hinweist: (a) Volumendefekte, die durch Stickstoffmangel entstehen, und (b) Defekte, die durch das Vorhandensein von GBs entstehen. Bei allen Proben wird der durchschnittliche Korngrenzenabstand durch einen Fehlschnitt des c-geschnittenen Saphirsubstrats konstant gehalten, so dass wir die Auswirkungen des Stickstoffmangels und der Korngrenzendichte unterscheiden können. Diese Eigenschaften und die Oberflächenrauhigkeit bestimmen die elektrische Leistung der Schichten und beeinflussen die Kompatibilität als Elektrodenmaterial in der jeweiligen Anwendung. Diese Studie zielt darauf ab, detaillierte und maßstabsübergreifende Einblicke in die strukturelle und mikrostrukturelle Reaktion auf Stickstoffmangel im c-Al2O3/TiN-System zu geben, da es ein vielversprechender Kandidat für Anwendungen in hochmodernen Systemen wie oxidischen elektronischen Dünnschichtstapeln oder SC-Anwendungen ist.

Mehr erfahren