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Im Weltraum kann energiereiche Gammastrahlung die Eigenschaften von Halbleitern verändern, ihre Funktion beeinträchtigen oder sie völlig unbrauchbar machen. Es ist nicht nur wichtig, strahlungsbeständige Geräte zu finden um die Sicherheit der Astronauten zu gewährleisten sondern auch um sicherzustellen, dass ein Raumschiff lange hält viele Jahre seiner Mission. Ebenso wertvoll ist der Bau eines Geräts, mit dem sich die Strahlenexposition leicht messen lässt. Jetzt hat eine internationale Forschergruppe herausgefunden, dass eine Art von MemristorEin Gerät, das auch ohne Strom Daten in Form von Widerständen speichert, kann nicht nur Gammastrahlung messen, sondern sich auch selbst heilen, nachdem es ihr ausgesetzt wurde.
Memristoren hätten bereits die Fähigkeit zur Selbstheilung unter Strahlung nachgewiesen, heißt es Firman SimanjuntakProfessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der University of Southampton, dessen Team diesen Memristor entwickelt hat. Doch bis vor Kurzem verstand niemand wirklich, wie sie heilten oder wie man die Geräte am besten anwendet. In letzter Zeit gab es „a neues Weltraumrennen„, sagt er, mit mehr Satelliten im Orbit und mehr Weltraummissionen auf der Startrampe, also „will jeder seine Geräte … strahlungstolerant machen.“ Simanjuntaks Team erforscht seit 2019 die Eigenschaften verschiedener Arten von Memristoren, wollte nun aber testen, wie sich ihre Geräte verändern, wenn sie Gammastrahlungsstößen ausgesetzt werden.
Normalerweise passen Memristoren ihren Widerstand daran an, ob sie einer ausreichend hohen Spannung ausgesetzt sind. Spannung erhöht den Widerstand, der dann auf diesem Niveau bleibt, wenn er niedrigeren Spannungen ausgesetzt wird. Die Gegenspannung verringert den Widerstand und setzt dadurch das Gerät zurück. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Widerstand hängt von der vorherigen Spannung ab, weshalb Geräte über ein Gedächtnis verfügen.
Der von Simanjuntak verwendete Hafniumoxid-Memristor ist ein nicht zurücksetzbarer Memristortyp, der als WORM-Gerät (Write Once, Read Many Times) bezeichnet wird und für die dauerhafte Speicherung geeignet ist. Sobald eine negative oder positive Spannung eingestellt ist, verändert die entgegengesetzte Spannung das Gerät nicht. Es besteht aus mehreren Materialschichten: zuerst leitendes Platin, dann mit Aluminium dotiertes Hafniumoxid (ein Isolator), dann eine Schicht Titan und darauf eine Schicht leitendes Silber.
Wenn an diese Memristoren eine Spannung angelegt wird, bildet sich im Hafniumoxid eine Brücke aus Silberionen, die den Stromfluss ermöglicht und dadurch seinen Leitwert festlegt. Im Gegensatz zu anderen Memristoren ist die Silberbrücke dieses Geräts stabil und fixiert, weshalb das Gerät im Allgemeinen nicht in den Ruhezustand zurückversetzt werden kann, wenn es einmal eingestellt ist.
Das heißt, es sei denn, es handelt sich um Strahlung. Die erste Entdeckung der Forscher war, dass das Gerät unter Gammastrahlung wie ein rücksetzbarer Schalter wirkt. Sie glauben, dass Gammastrahlen die Bindung zwischen Hafnium- und Sauerstoffatomen aufbrechen, wodurch sich oben auf dem Memristor eine Schicht Titanoxid und unten eine Schicht Platinoxid bildet. Die Titanoxidschicht bildet eine zusätzliche Barriere für den Durchtritt von Silberionen, so dass sich eine schwächere Brücke bildet, die durch neue Spannung aufgebrochen und zurückgesetzt werden kann.
Die zusätzliche Platinoxidschicht, die durch die Gammastrahlen entsteht, dient auch als Barriere für einfallende Elektronen. Das bedeutet, dass zum Abstimmen des Memristors eine höhere Spannung erforderlich ist. Mit diesem Wissen konnten die Forscher eine einfache Schaltung erstellen, die die Strahlungsmengen maß, indem sie die zum Abstimmen des Memristors erforderliche Spannung überprüfte. Eine höhere Spannung bedeutete, dass das Gerät mehr Strahlung ausgesetzt war.
Ausgehend vom regulären Zustand bildet der Memristor eine stabile leitfähige Brücke. Unter Strahlung erzeugt eine dickere Titanoxidschicht eine schwächere, sich langsamer bildende leitfähige Brücke.OM Kumar et al./IEEE Electronic Devices Letters
Das wahre Wunder dieser Hafniumoxid-Memristoren ist jedoch ihre Fähigkeit zur Selbstheilung nach einer hohen Strahlungsdosis. Die Forscher behandelten den Memristor mit einer Strahlung von 5 Megarad, 500-mal mehr als eine tödliche Dosis beim Menschen. Sobald die Gammastrahlung entfernt wurde, lösten sich die Titanoxid- und Platinoxidschichten allmählich auf, wobei die Sauerstoffatome zurückkehrten und wieder Hafniumoxid bildeten. Nach 30 Tagen benötigten die Geräte, die der Strahlung ausgesetzt waren, nicht mehr eine höhere Spannung als normal, sondern die gleiche Spannung wie die intakten Geräte.
„Was sie machen, ist ziemlich aufregend“, sagt er Pavel BorisovForscher an der Loughborough University im Vereinigten Königreich, der den Einsatz von Memristoren untersucht ahmen die Synapsen des menschlichen Gehirns nach. Sein Team führte ähnliche Experimente mit einem Memristor auf Siliziumoxidbasis durch und stellte außerdem fest, dass Strahlung das Verhalten des Geräts veränderte. Allerdings heilten die Memristoren in Borisovs Experimenten nach der Strahlentherapie nicht.
Memristoren sind einfach, leicht und stromsparend, was sie bereits jetzt ideal für den Einsatz in Raumfahrtanwendungen macht. Simanjuntak hofft, in Zukunft mithilfe von Memristoren strahlungsresistente Speichergeräte zu entwickeln, die es Satelliten im Weltraum ermöglichen würden, Berechnungen an Bord durchzuführen. „Man kann einen Memristor zur Datenspeicherung verwenden, man kann ihn aber auch verwenden für die Berechnung„, sagt er, „So könnte man alles vereinfachen und auch die Kosten senken.“
Das Forschung wurde zur Veröffentlichung in einer zukünftigen Ausgabe von angenommen Briefe für elektronische Geräte.
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