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pinMOS: Novel Memory Device Combining OLED and Insulator Can Be Written on and Read out Optically or Electrically

Published on in PRESS RELEASES

figure 1: pinMOS memcapacitor - scheme. author: Yichu Zheng
The pinMOS memory - an organic semiconductor device resulting from the combination of an OLED and a capacitor. It has the characteristics of a Memcapacitor, interacts with light and can be written and erased step by step. (C) Yichu Zheng.

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Scientists of the Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) and the Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) at TU Dresden have developed a novel storage technology based on the combination of an organic light-emitting diode (OLED) and an insulator. This device allows reading the stored information optically as well as electrically. Moreover, the information can be added in portions - thus several storage states can be mapped in one device. The results have now been published in the renowned journal "Advanced Functional Materials".

Another novelty was related to the measurements in the test series: They were carried out exclusively using the innovative "SweepMe!” measuring software, which was developed by an IAPP / cfaed start-up of the same name.

This story began a few way back in 2015. Two cfaed scientists, both experts in the field of organic electronics, were on their way to a conference in Brazil which included a long bus ride to the venue Porto de Galinhas. Plenty of time to talk. And so it happens that one of the two - Prof. Stefan Mannsfeld (Chair for Organic Devices, cfaed / IAPP) - shared the idea with the other one - Dr. Axel Fischer (Chair for Organic Semiconductors, IAPP) – that had kept him busy for a while already:

The combination of a conventional organic light-emitting diode (OLEDs) with an insulator layer would have to result in a storage unit due to the specific physical effects of the materials used, which could be written on and read out using both light and electrical signals: a misappropriated use of the OLED technology so to speak. As it turned out, the two were a perfect match – Dr. Fischer confirmed that the necessary technologies and experience were already available at the IAPP - and so the investigation of this idea was only a matter of time. Yichu Zheng at Prof. Mannsfeld's chair was a suitable candidate to dedicate her doctoral thesis to this topic.

Storing and reading - with light and electricity

The results of this work are available now and have just been published in the journal Advanced Functional Materials. The scientists describe a new type of programmable organic capacitive memory, which is a combination of an OLED and a MOS capacitor (MOS = metal oxide semiconductor). The storage unit called "pinMOS" is a non-volatile memcapacitor with high repeatability and reproducibility. The special feature is that pinMOS is able to store several states, since charges can be added or removed in controllable amounts. Another attractive feature is that this simple diode-based memory can be both electrically and optically written to and read from. Currently, a lifetime of more than 104 read-write erase cycles is achieved, and the memory states can be maintained and differentiated over 24 hours.

The results show that the pinMOS memory principle as a reliable capacitive storage medium is promising for future applications in electronic and photonic circuits such as neuromorphic computers or visual storage systems. The co-authors of the Weierstraß Institute Berlin (WIAS) were able to contribute to the precise interpretation of the functional mechanism by performing drift diffusion simulations.

A diode-capacitor memory was first presented in 1952 by Arthur W. Holt at an ACM conference in Canada, but only now this concept is being revived by the use of organic semiconductors, since all functions of a discrete connection of diodes and capacitor can be integrated into a single memory cell.

Measuring with SweepMe! - innovative approach for the laboratory

All measurements within this study were performed with the new laboratory measurement software "SweepMe! This software has been developed by a start-up, which is a spin-off from TU Dresden. The physicists Axel Fischer and Felix Kaschura who received their PhD’s from TUD founded SweepMe! in 2018 at the IAPP. This study proved how versatile SweepMe! can be. Whether the measurement of voltage-dependent and time-dependent capacitances, the creation of current-voltage characteristics, the combination of signal generator and oscilloscope or the processing of images from an industrial camera - everything was implemented with only this one software. Even sophisticated parameter variations, which would normally require considerable programming effort, could be implemented in a very short time. Since October 2019 SweepMe! is available worldwide free of charge.

Paper title: Introducing pinMOS Memory: A Novel, Nonvolatile Organic Memory Device
DOI: 10.1002/adm.201907119
Authors: Yichu Zheng, Axel Fischer, Michael Sawatzki, Duy Hai Doan, Matthias Liero, Annegret Glitzky, Sebastian Reineke, Stefan C. B. Mannsfeld
Medium: Advanced Functional Materials, published November 07, 2019

The study is a cooperation of TU Dresden (Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials – IAPP & Center for Advancing Electronics Dresden – cfaed) and Weierstraß Institute Berlin (WIAS).


Press picture:

Author: Yichu Zheng
Caption: "The pinMOS memory - an organic semiconductor device resulting from the combination of an OLED and a capacitor. It has the characteristics of a Memcapacitor, interacts with light and can be written and erased step by step".


Contact for journalists:

TU Dresden, Center for Advancing Electronics Dresden:

Prof. Stefan Mannsfeld
Chair for Organic Devices
Tel. +49-(0)351-463- 39923

Matthias Hahndorf
cfaed science communications
Tel. +49-(0)351-463-42847


Dr. Axel Fischer


About cfaed

cfaed is a research cluster at TU Dresden (TUD). As an interdisciplinary research center for perspectives of electronics it is located at the TUD as the central scientific unit, but also integrates nine non-university research institutions in Saxony as well as TU Chemnitz as cooperating institutes. With its vision, the cluster aims to shape the future of electronics and initiate revolutionary new applications, such as electronics that do not require boot time, are capable of THz imaging, or support complex biosensor technology. These innovations make conceivable performance improvements and applications that would not be possible with the continuation of today's silicon chip-based technology. In order to achieve its goals, cfaed combines the thirst for knowledge of the natural sciences with the innovative power of engineering.


[Deutsche Version]

pinMOS: Neuartiger Speicher aus OLED und Isolator kann optisch oder elektrisch beschrieben und ausgelesen werden

An der TU Dresden haben Wissenschaftler*innen des Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) sowie des Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) eine neuartige Speichertechnologie entwickelt, die aus der Kombination einer organischen Leuchtdiode (OLED) und eines Isolators entstand. Mit diesem Bauelement ist es möglich, die gespeicherten Informationen sowohl optisch als auch elektrisch auszulesen. Zudem lassen sich die Informationen schrittweise hinzufügen -  somit können mehrere Speicherzustände in einem Bauelement abgebildet werden. Die Ergebnisse wurden nun in der renommierten Fachzeitschrift „Advanced Functional Materials“ veröffentlicht.

Eine Neuerung kam auch bei sämtlichen Messungen in den Versuchsreihen zum Tragen: Diese wurden ausschließlich mit der innovativen Messsoftware „SweepMe!“ durchgeführt, welche vom gleichnamigen Start-Up des IAPP sowie des cfaed entwickelt wurde.

Der Beginn dieser Geschichte liegt einige Jahre zurück, genauer gesagt im Jahr 2015. Zwei cfaed-Wissenschaftler, beide Fachleute auf dem Gebiet der organischen Elektronik, befinden sich auf der Fahrt zu einer Konferenz in Brasilien, eine lange Busfahrt trennt sie noch vom Veranstaltungsort Porto de Galinhas. Viel Zeit zum Reden. Und so kommt es, dass der eine – Prof. Stefan Mannsfeld (Professur für Organische Bauelemente, cfaed / IAPP) – dem anderen – Dr. Axel Fischer (Professur für Organische Halbleiter, IAPP) von einer Idee erzählt, die er schon eine Weile im Kopf mit sich herumträgt:

Die Kombination herkömmlicher organischer Leuchtdioden (OLEDs) mit einer Isolatorenschicht müsste aufgrund der spezifischen physikalischen Effekte der verwendeten Materialien eine Speichereinheit ergeben, die sowohl mit Licht als auch mit elektrischen Signalen beschrieben und ausgelesen werden kann, so die Idee. Man könnte also von einer zweckentfremdeten Nutzung der OLED-Technik sprechen. Und wie sich herausstellte, hatten sich hier genau die Richtigen getroffen – denn Dr. Fischer konnte berichten, dass die notwendigen Technologien und Erfahrungen am IAPP bereits vorhanden sind – und so war eine wissenschaftliche Erforschung dieser Idee quasi beschlossene Sache. Einige Zeit später war mit Yichu Zheng am Lehrstuhl von Prof. Mannsfeld auch die passende Doktorandin gefunden, die sich diesem Thema widmen würde.

Speichern und Lesen – mit Licht und Strom

Nun liegt das Ergebnis vor und wurde soeben in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht. Die Wissenschaftler beschreiben darin eine neue Art von programmierbarem organischem kapazitivem Speicher, der eine Kombination aus einer OLED und einem MOS-Kondensator (MOS = Metalloxid-Halbleiter) ist. Die „pinMOS“ genannte Speichereinheit ist ein nichtflüchtiger Memcapacitor mit hoher Wiederholgenauigkeit und Reproduzierbarkeit. Das Besondere ist, dass der pinMOS in der Lage ist, mehrere Zustände zu speichern, da Ladungen schrittweise hinzugefügt oder entfernt werden können. Eine weitere attraktive Eigenschaft ist, dass dieser einfache diodenbasierte Speicher elektrisch und optisch sowohl beschrieben als auch ausgelesen werden kann. Aktuell wird eine Lebensdauer von mehr als 104 Schreib-Lese-Lösch-Zyklen erreicht, und die Speicherzustände können über 24 Stunden erhalten und unterschieden werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass das pinMOS-Speicherprinzip als zuverlässiges kapazitives Speichermedium für zukünftige Anwendungen in elektronischen und photonischen Schaltungen wie in neuromorphen Computern oder visuellen Speichersystemen vielversprechend ist. Die Koautoren vom Weierstraß-Institut Berlin (WIAS) konnten durch Drift-Diffusionssimulationen zur genauen Interpretation des Funktionsmechanismus beitragen.

Ein Dioden-Kondensator-Speicher wurde bereits 1952 erstmals von Arthur W. Holt auf einer ACM-Konferenz in Kanada vorgestellt, doch erst jetzt erfährt dieses Konzept durch die Verwendung organischer Halbleiter ein Revival, da alle Funktionen einer diskreten Verbindung von Dioden und Kondensator in eine einzige Speicherzelle integriert werden können.

Messen mit SweepMe! – innovativer Ansatz fürs Labor

Alle Messungen innerhalb dieser Studie wurden mit der neuartigen Labor-Messsoftware „SweepMe!“ durchgeführt. Diese wurde von einem Start-up entwickelt, welches eine Ausgründung der TU Dresden ist. Die an der TUD promovierten Physiker Axel Fischer und Felix Kaschura hatten SweepMe! 2018 als Spin-off des IAPP ausgegründet.

In der vorliegenden Studie konnte mit SweepMe! beispielhaft gezeigt werden, wie vielfältig es einsetzbar ist. Ob die Messung von spannungsabhängigen und zeitabhängigen Kapazitäten, die Erstellung von Strom-Spannungskennlinien, die Kombination von Signalgenerator und Oszilloskop oder die Verarbeitung von Bildern einer Industriekamera – alles wurde mit ein und derselben Software umgesetzt. Auch ausgefeilte Parametervariationen, die normalerweise erheblichen Programmier-Aufwand erfordern würden, konnten so in kürzester Zeit realisiert werden. Seit Oktober 2019 ist SweepMe! weltweit kostenlos verfügbar.


Paper-Titel: Introducing pinMOS Memory: A Novel, Nonvolatile Organic Memory Device
DOI: 10.1002/adfm.201907119
Autoren: Yichu Zheng, Axel Fischer, Michael Sawatzki, Duy Hai Doan, Matthias Liero, Annegret Glitzky, Sebastian Reineke, Stefan C. B. Mannsfeld
Medium: Advanced Functional Materials, veröffentlicht 07. November 2019

Die Studie ist eine Kooperation von TU Dresden (Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials – IAPP; Center for Advancing Electronics Dresden – cfaed) und Weierstraß-Institut Berlin.



Download unter:
Bildautorin: Yichu Zheng
Bildunterschrift: "Der pinMOS-Speicher - ein organisches Halbleiterbauelement, welches aus der Kombination einer OLED und eines Kondensators hervorgeht. Es besitzt die Eigenschaften eines Memcapacitors, interagiert mit Licht und kann schrittweise geschrieben und gelöscht werden kann."


Kontakt für Journalisten:

TU Dresden, Center for Advancing Electronics Dresden:

Prof. Stefan Mannsfeld
Professur für Organische Bauelemente
Tel. +49-(0)351-463- 39923

Matthias Hahndorf
cfaed Wissenschaftskommunikation
Tel. +49-(0)351-463-42847



Dr. Axel Fischer


Über das cfaed

Das cfaed ist ein Forschungscluster der TU Dresden (TUD). Als interdisziplinäres Forschungszentrum für Perspektiven der Elektronik ist es als Zentrale Wissenschaftliche Einrichtung an der TUD angesiedelt, bindet jedoch neben der TU Chemnitz auch neun außeruniversitäre Forschungsreinrichtungen in Sachsen als Kooperationsinstitute ein. Mit seiner Vision möchte der Cluster die Zukunft der Elektronik gestalten und revolutionär neue Applikationen initiieren, wie bspw. Elektronik, die keine Bootzeit benötigt, die fähig zur THz-Bildgebung ist, oder komplexe Biosensorik unterstützt. Mit diesen Innovationen werden Leistungssteigerungen und Anwendungen denkbar, die mit der Fortsetzung der heute üblichen, auf Siliziumchips basierenden Technologie nicht möglich wären. Um seine Ziele zu erreichen, vereint cfaed den Erkenntnisdrang der Naturwissenschaften mit der Innovationskraft der Ingenieurwissenschaften.

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