In situ/operando Electron Microscopy of Thin Film Oxide Devices

Advanced characterization techniques are essential for resolving nanoscale phenomena in functional materials under realistic conditions. This thesis focuses on the development and application of innovative in situ TEM methods for the electrical and structural analysis of oxide-based electronic devices. The approaches presented address longstanding challenges in electron microscopy and failure analysis, enabling significant progress in the characterization of electronic materials. The evolution of TEM, from static imaging to dynamic, real-time experiments, has profoundly enhanced our understanding of material behavior at the nano- and sub-nanometer scales. In situ methods allow for studying materials in environments that replicate operational conditions, while operando techniques observe materials during active device operation, providing a direct link between microscopic processes and macroscopic performance. This distinction is critical for understanding real-world device behavior. Recent advances in TEM have enabled multi-stimuli experiments that combine electrical biasing, thermal variation, and reactive environments. Improvements in sample preparation, such as FIB milling, have made it possible to achieve the structural and electrical precision needed for high-resolution analysis. The development of MEMS-based holders has further expanded capabilities by enabling mechanical, thermal, and electrical stimuli to be applied directly to thin-film oxide devices. However, challenges remain, particularly in electrical characterization, due to issues like high leakage currents and contamination introduced during sample preparation. To address these, this thesis introduces a novel FIB preparation protocol that eliminates GIS-deposited materials, instead using van der Waals forces for lamella attachment. This approach significantly reduces contamination and enables low-leakage current measurements in the pA range. The robustness of this method is demonstrated through a comparative analysis of the electrical responses of micrometer-scale and TEM lamella devices for both STO memristors and all-oxide varactors, with strong agreement highlighting the reproducibility and reliability of the approach. For STO devices, connectivity and structural integrity were preserved in TEM lamellae, validating the preparation protocol. Operando atomic-resolution HAADF-STEM imaging revealed extended defect formation upon switching to the HRS. Sub-nanometer displacement analysis and multislice simulations using relaxed supercells confirm observed contrast changes, indicating reversible lattice distortions. HRTEM and FFT analysis showed additional reflections in the HRS, consistent with long-range structural modulation. These reflections disappeared upon switching to the LRS and varied across cycles, reflecting the stochastic nature of defect rearrangement an switching completeness. The impact of the electron beam during operando STEM was also evaluated. Stable device operation was maintained under low probe currents (approx. 20 pA), allowing direct imaging during switching. Beyond minimizing damage, the beam was used as a local excitation source for SEEBIC-based connectivity mapping. SEEBIC contrast provided spatial information on insulating barriers and electrical connectivity, confirming correct device operation and the presence of functional interfaces. In poorly contacted lamellae, (SE)EBIC imaging revealed an absence of current collection at electrodes, enabling rapid verification of contact quality. Although combining (SE)EBIC and TEM has traditionally been difficult, due to challenges in preparing electrically functional, electron-transparent lamellae and detecting low currents—this work demonstrates their practical integration. (SE)EBIC enabled spatially resolved electrical mapping inside the TEM, serving as a valuable tool for validating device function prior to operando imaging. Establishing proper sample connectivity enables the use of MEMS-based devices in multi-stimuli experiments. Combined electron/ion beam exposure, electrical biasing, and gas flow allowed for systematic studies of defect dynamics. This setup enabled simultaneous beam exposure and oxygen flow inside the TEM, revealing a reoxidation-induced healing mechanism in STO and BST devices. Post-FIB treatments using plasma oxidation and controlled e-beam irradiation in O₂ atmospheres significantly reduced leakage currents, as confirmed by in situ EELS and EDS. These results highlight how oxygen vacancy manipulation under realistic conditions can fine-tune nanoscale electrical properties. Overall, this thesis demonstrates the transformative potential of in situ TEM in addressing critical challenges in materials for electronic applications. By integrating advanced methods with real device operation, it establishes in situ TEM as a vital tool for understanding and developing oxide-based electronic materials. These insights bridge the gap between nanoscale phenomena and device-level performance, laying the groundwork for the next generation of electronic technologies.

Fortschrittliche Charakterisierungstechniken sind entscheidend, um Phänomene im Nanobereich in funktionellen Materialien unter realistischen Bedingungen aufzulösen. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung und Anwendung innovativer in situ TEM-Methoden zur elektrischen und strukturellen Analyse oxidbasierter elektronischer Bauelemente. Die vorgestellten Ansätze adressieren langjährige Herausforderungen in der Elektronenmikroskopie und Fehleranalyse und ermöglichen bedeutende Fortschritte in der Charakterisierung elektronischer Materialien. Die Entwicklung der TEM – von statischer Abbildung hin zu dynamischen Echtzeitexperimenten – hat unser Verständnis des Materialverhaltens im Nano- und Subnanometerbereich grundlegend erweitert. In situ-Methoden ermöglichen die Untersuchung von Materialien in Umgebungen, die den Betriebsbedingungen entsprechen, während operando-Techniken Materialien während des tatsächlichen Betriebs beobachten und so eine direkte Verbindung zwischen mikroskopischen Prozessen und makroskopischer Leistungsfähigkeit herstellen. Diese Unterscheidung ist entscheidend für das Verständnis des realen Geräteverhaltens. Jüngste Fortschritte in der TEM haben Mehrstimuli-Experimente ermöglicht, die elektrische Anregung, thermische Variation und reaktive Umgebungen kombinieren. Verbesserungen in der Probenpräparation, etwa durch FIB-Fräsen, erlauben die strukturelle und elektrische Präzision, die für hochauflösende Analysen erforderlich ist. Die Entwicklung MEMS-basierter Halter hat die Möglichkeiten weiter ausgebaut, indem mechanische, thermische und elektrische Stimuli direkt auf dünne Oxidfilme angewendet werden können. Dennoch bestehen weiterhin Herausforderungen, insbesondere bei der elektrischen Charakterisierung, etwa durch hohe Leckströme und Verunreinigungen, die während der Probenpräparation eingeführt werden. Um diese zu überwinden, wird in dieser Arbeit ein neuartiges FIB-Präparationsprotokoll vorgestellt, das auf den Verzicht GIS-abgelagerter Materialien setzt und stattdessen van-der-Waals-Kräfte zur Befestigung der Lamellen nutzt. Dieser Ansatz reduziert Kontaminationen erheblich und ermöglicht Leckstrommessungen im pA-Bereich. Die Robustheit dieser Methode wird durch eine vergleichende Analyse der elektrischen Antworten von mikrometergroßen und TEM-Lamellenbauelementen für STO-Memristoren und Alloxid-Varaktoren belegt – mit hoher Übereinstimmung, die die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit des Ansatzes unterstreicht. Bei STO-Bauelementen wurden Konnektivität und strukturelle Integrität in TEM-Lamellen erhalten, was das Präparationsprotokoll validiert. Operando-HAADF-STEM-Bildgebung mit atomarer Auflösung zeigte die Bildung erweiterter Defekte beim Umschalten in den HRS. Subnanometergenaue Verschiebungsanalysen und Multislice-Simulationen mit entspannten Superzellen bestätigten beobachtete Kontrastveränderungen und wiesen auf reversible Gitterverzerrungen hin. HRTEM- und FFT-Analysen zeigten zusätzliche Reflexe im HRS, die mit langreichweitiger Strukturmodulation übereinstimmen. Diese Reflexe verschwanden beim Umschalten in den LRS und variierten zwischen Zyklen, was auf die stochastische Natur der Defektumstrukturierung und die variable Vollständigkeit des Umschaltens hinweist. Auch der Einfluss des Elektronenstrahls während operando-STEM wurde untersucht. Ein stabiler Gerätebetrieb konnte bei niedrigen Strömen (~20 pA) aufrechterhalten werden, was direkte Bildgebung während des Umschaltens ermöglichte. Über die Vermeidung von Strahlschäden hinaus wurde der Elektronenstrahl als lokale Anregungsquelle für SEEBIC-basierte Konnektivitätskartierung genutzt. SEEBIC-Kontrast lieferte räumliche Informationen über isolierende Barrieren und elektrische Konnektivität, was den korrekten Betrieb und das Vorhandensein funktionaler Grenzflächen bestätigte. In schlecht kontaktierten Lamellen zeigte (SE)EBIC-Bildgebung das Fehlen von Stromsammlung an den Elektroden, was eine schnelle Überprüfung der Kontaktqualität ermöglichte.Obwohl die Kombination von (SE)EBIC und TEM traditionell als schwierig galt – insbesondere aufgrund der Herausforderungen bei der Herstellung elektrisch funktionaler, elektronenstrahldurchlässiger Lamellen und der Detektion niedriger Ströme – zeigt diese Arbeit deren praktische Integration. (SE)EBIC ermöglichte räumlich aufgelöste elektrische Kartierungen im TEM und diente als wertvolles Werkzeug zur Validierung der Gerätefunktion vor der operando-Bildgebung. Die Herstellung zuverlässiger elektrischer Kontakte erlaubt den Einsatz von MEMS-basierten Bauelementen in Mehrstimuli-Experimenten. Die kombinierte Elektronen-/Ionenstrahlexposition, elektrische Ansteuerung und Gasfluss ermöglichten systematische Studien der Defektdynamik. Dieses Setup erlaubte die gleichzeitige Strahlexposition und Sauerstoffzufuhr im TEM und offenbarte einen Reoxidations-basierten Heilungsmechanismus in STO- und BST-Bauelementen. Nachbehandlungen der FIB-Proben mittels Plasmaoxidation und kontrollierter Elektronenbestrahlung in O₂-Atmosphären reduzierten die Leckströme signifikant, wie durch in situ EELS- und EDS-Messungen bestätigt wurde. Diese Ergebnisse verdeutlichen, wie die gezielte Manipulation von Sauerstoffleerstellen unter realistischen Bedingungen die elektrischen Eigenschaften im Nanobereich gezielt beeinflussen kann. Insgesamt zeigt diese Dissertation das transformative Potenzial von in situ TEM bei der Bewältigung zentraler Herausforderungen in elektronisch funktionalen Materialien. Durch die Integration fortschrittlicher Methoden mit realem Gerätebetrieb etabliert sie in situ TEM als ein unverzichtbares Werkzeug zum Verständnis und zur Weiterentwicklung oxidbasierter Elektronik. Die gewonnenen Erkenntnisse schlagen eine Brücke zwischen nanoskaligen Prozessen und der Leistung auf Bauelementebene und bilden damit die Grundlage für die nächste Generation elektronischer Technologien.