Investigation of Negative Feedback in Resistive Switching of Hf0.5Zr0.5O2 Thin Films.

Obernberger, Sebastian (2025). Investigation of Negative Feedback in Resistive Switching of Hf0.5Zr0.5O2 Thin Films. Mémoire. Québec, Munich, Institut national de la recherche scientifique / Munich University of Applied Sciences, Maitrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 100 p.

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Résumé

Cette thèse étudie les caractéristiques et la dynamique de la commutation résistive dans les cellules ReRAM (mémoire résistive à accès aléatoire) à base de Hf_0,5Zr_0,5O₂, en mettant l’accent sur l’émergence d’un comportement chaotique induit par des mécanismes de rétroaction négative. Dans ce contexte, des structures MIM (métal-isolant-métal) ont été fabriquées et caractérisées. Les effets dissipatifs de l’énergie dans le processus de commutation sont décrits, conduisant à une rétroaction négative. La relation entre la tension appliquée et le changement de résistance dans les dispositifs ReRAM est caractérisée.

Un diagramme de Feigenbaum est introduit, révélant des bifurcations période-doublement typiques du chaos déterministe, et démontrant qu’un comportement chaotique dans les cellules ReRAM peut émerger lorsque certains paramètres du commutateur résistif sont respectés. L’analyse des exposants de Lyapunov permet d’étudier plus en détail la sensibilité du système aux variations des paramètres. Ces résultats soulignent le rôle critique d’un contrôle précis des paramètres de commutation dans l’obtention d’un comportement chaotique.

La thèse explore également l’impact de la distribution et de la densité des vides d’oxygène dans le cycle de commutation sur le comportement du dispositif. La redistribution des vides pendant les opérations RESET et SET est identifiée comme un facteur important qui peut conduire à l’apparition d’un comportement chaotique dans les dispositifs ReRAM.

En outre, les applications potentielles du comportement chaotique des ReRAM sont examinées, notamment leur utilisation dans la génération de nombres aléatoires et la modélisation de systèmes biologiques complexes, tels que les pathologies neurodégénératives. Les résultats suggèrent qu’en optimisant la sensibilité des cellules ReRAM à des stimuli externes – tels que la distribution des vides d’oxygène – la dynamique chaotique pourrait être exploitée pour des applications pratiques.


This thesis investigates the characteristics and dynamics of resistive switching in Hf_0.5Zr_0.5O₂- based ReRAM (resistive random-access memory) cells, with a particular focus on the emergence of chaotic behavior driven by negative feedback mechanisms. In this context, MIM (metalinsulator- metal) structures have been fabricated and characterized. Energy dissipative effects in the switching process are described, leading to a negative feedback. Here, the relationship between applied voltage and resistance change in ReRAM devices is characterized.

A Feigenbaum diagram is introduced, revealing period-doubling bifurcations typical of deterministic chaos, and demonstrating that chaotic behavior in ReRAM cells can emerge when certain parameters of the resistive switch are met. The analysis of Lyapunov exponents further investigates the system’s sensitivity to parameter variations.

The thesis also explores the impact of oxygen vacancy distributions and densities within the switching cycle on device behavior. The redistribution of vacancies during RESET and SET operations is identified as an important factor that may drive the onset of chaotic behavior in ReRAM devices.

Furthermore, the potential applications of chaotic ReRAM behavior are looked into, including its use in random number generation and modeling complex biological systems, such as neurodegenerative pathologies. The findings suggest that by optimizing the sensitivity of ReRAM cells to external stimuli – such as the distribution of oxygen vacancies – chaotic dynamics could be harnessed for practical applications.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Ruediger, Andreas
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Schindler, Christina
Mots-clés libres:	-
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	16 janv. 2026 14:08
Dernière modification:	16 janv. 2026 14:08
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16818

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