Methodenartikel

Eine Fertigung und Messverfahren für ein flexibles Ferroelektrischen Element basierend auf Van Der Waals Heteroepitaxy

DOI:

10.3791/57221

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8. April 2018

 ,  ,  ,  , 
1Key Laboratory of Low Dimensional Materials and Application Technology of Ministry of Education, Xiangtan University, 2Department of Physics, Indian Institute of Science, 3Department of Materials Science and Engineering, National Chiao Tung University

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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In diesem Beitrag präsentieren wir ein Protokoll direkt noch eine epitaktische Wachstum flexible Blei Zirkon Titanat Speicherelement Muskovit Glimmer.

Zusammenfassung

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Flexible nicht-flüchtiger Speicher haben viel Aufmerksamkeit erhalten, wie sie in Zukunft für tragbare intelligente elektronische Geräte sind unter Berufung auf High-Density Datenspeicher und Niederleistungsverbrauch Fähigkeiten. Die qualitativ hochwertigen oxid basierend nichtflüchtig auf flexiblen Substraten wird jedoch oft durch die Materialeigenschaften und die unvermeidlichen Hochtemperatur-Fertigungsprozess eingeschränkt. In diesem Papier wird ein Protokoll vorgeschlagen, direkt eine Epitaxie und dennoch flexible Blei Zirkon Titanat Speicherelement auf Muskovit Glimmer wachsen. Die vielseitige Technik und Messung Abscheidungsverfahren ermöglichen die Herstellung von flexiblen, aber einzelne kristalline nichtflüchtigen Speicher-Elemente, die notwendig für die nächste Generation von intelligenten Geräten.

Einleitung

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Die erfolgreiche Herstellung von flexiblen nichtflüchtigen Speicherelemente (NVME) spielt eine Schlüsselrolle bei der Nutzung des vollen Potenzials der flexible Elektronik. NVME sind geringes Gewicht, low-cost, Low-Power-Verbrauch, hoher Geschwindigkeit und hoher Dichte Speicherkapazitäten neben Datenspeicherung, Informationsverarbeitung und Kommunikation verfügen. Perowskit-Pb (Zr, Ti) O3 (PZT) fungiert als ein beliebtes System für solche Anwendungen in Anbetracht seiner großen Polarisation, schnelle Polarisation umschalten, hohe Curie-Temperatur, niedrige Zwangsmaßnahmen Feld und hohen piezoelektrischen Koeffizienten. In Ferroelektrischen nichtflüchtige Speicher kann eine externe Spannungsimpuls zwei Überrest Polarisierungen zwischen zwei stabile Richtungen, vertreten durch '0' und '1' wechseln. Es ist nicht flüchtig, und der Schreib/Lese-Prozess innerhalb von Nanosekunden abgeschlossen werden kann. NVME basierend auf organischen1,2,3,4,5,6 und anorganischen7,8,9,10 ,11,12,13,14,15 ferroelektrische Materialien wurden auf flexiblen Substraten versucht. Allerdings ist eine solche Integration durch nicht nur die Substrate Unfähigkeit der Hochtemperatur-Wachstum, aber auch die degradierten Geräteleistung, Leckstrom und elektrische Kurzschlüsse durch ihre raueren Oberflächen begrenzt. Trotz vielversprechender Ergebnisse, alternative Strategien wie die Ausdünnung der Substrat-8 und die epitaktischen Schicht-Übertragung auf ein flexibles Substrat15 leiden eingeschränkten Tragfähigkeit im Hinblick auf die anspruchsvolle mehrstufiger Prozess, der Unvorhersehbarkeit der Transfer und die begrenzte Anwendbarkeit.

Aus den genannten Gründen ist es wichtig, eine geeignete Substrat zu erkunden, die begrenzte thermische und operative Stabilitäten von weichen Substraten um flexible Elektronik weiter zu überwinden vermag. Eine natürliche Muskovit-Glimmer (KAl2(AlSi3O10) (OH)2) Substrat mit einzigartigen Funktionen wie atomar glatte Oberflächen, hohe thermische Stabilität, chemische Inertheit, hohe Transparenz, mechanische Flexibilität und Kompatibilität mit aktuellen Herstellungsmethoden kann verwendet werden, um effektiv mit diesen Fragen befassen. Um so mehr, unterstützt die zweidimensionale Schichtstruktur der monoklinen Glimmer van der Waals-Epitaxie, die Gitter und thermische Bedingungen, dadurch erheblich unterdrückt das Substrat spannen Effekt entsprechen mildert. Diese Vorteile wurden in das direkte Wachstum von funktionalen Oxide16,17,18,19,20,21,22ausgeschöpft, 23 auf Muskovit vor kurzem, im Hinblick auf flexible Geräteanwendungen.

Hier beschreiben wir ein Protokoll, um direkt epitaktische noch flexible Blei Zirkon Titanat (PZT) Dünnschichten auf Muskovit Glimmer wachsen. Erreicht wird dies durch eine gepulste Laser Deposition Prozess unter Berufung auf die vielseitigen Eigenschaften von Glimmer, was van der Waals Heteroepitaxy. Solche vorgefertigten Strukturen behalten die überlegenen Eigenschaften der epitaktische PZT auf starre einzelne kristalline Substrate und weist ausgezeichnete thermische und mechanische Stabilität. Dieser einfache und zuverlässige Ansatz stellt einen technologischen Vorteil gegenüber Multistep-Transfer und Substrat Ausdünnung Strategien und fördert die Entwicklung der viel erwartete flexible noch Single-kristalline nichtflüchtigen Speicherelemente Voraussetzung für nächsten Generation intelligente Geräte mit hoher Leistung.

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Protokoll

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1. Herstellung von flexiblen PZT-Dünnschichten

  1. Durchschneiden Sie 1 x 1 cm Glimmer Substrat aus eine glimmervorlage mit einer Schere.
  2. Befestigen Sie dieses 1 x 1 cm-Glimmer-Substrat auf einem Schreibtisch mit doppelseitigem Klebeband.
  3. Benutzen Sie eine Pinzette zu um Peel-off die Glimmer Schicht für Schicht bis die gewünschte Dicke (50 µm), mit einem Mikrometer gemessen.
  4. Fügen Sie diese frisch gespalten Glimmer Substrat auf ein Substrat Halter 5'' mit einer dünnen Schicht von Silberfarbe und bei 120 ° C auf einer heißen Platte für 10 Minuten Glimmer auf Substrat fest anzubringen zu heilen.
  5. Die PLD-Kammer den PLD (Pulsed Laser Deposition) Substrat Inhaber umgesetzt.
  6. Wählen Sie die Wiederholrate (z.B. 10 Hz) und laser-Energie (z.B. 300 mJ).
  7. Verschieben der Fokussierlinse in die eingestellte Position.
  8. Der Verschluss geöffnet und Hinterlegung einer 5 nm CoFe2O4 (CFO) [Laser-Energie: 300 mJ, Sauerstoffdruck: 50 mTorr, Probentemperatur: 590 ° C, Depositionszeit: 5 min] Dünnschicht als eine Pufferschicht durch das Auslösen des Lasers (Abbildung 1).
  9. Hinterlegen Sie eine 20-80 nm SrRuO3 (SRO) [Laser-Energie: 300 mJ, Sauerstoffdruck: 100 mTorr, Probentemperatur: 680 ° C, Depositionszeit: 10-30 min] auf die CFO-Pufferschicht als die untere Elektrode für spätere elektrische Performance-Tests durch das Auslösen der Laser ( ( Abbildung 1).
  10. Kaution pro 150 nm PZT [Laser-Energie: 300 mJ, Sauerstoffdruck: 100 mTorr, Probentemperatur: 650 ° C, Depositionszeit: 60 min.] dünnen Film auf der Oberseite SRO untere Elektrode durch das Auslösen des Lasers (Abbildung 1).
  11. Entlüften der Kammer mit N2 und PZT/Glimmer-Muster (Abbildung 2) zu entfernen, wenn die Temperatur Raumtemperatur erreicht.
  12. Legen Sie die Probe auf ein Stück Glas.
  13. Eine vordefinierte Mesh mit 200 µm Durchmesser oben auf die Probe gestellt. Das Netz gut zu beheben und die Sputter Kammer Mesh-Probe umgesetzt.
  14. Verwendung DC-Sputtern (10 mA, 8 Mbar, 6 min), Pt-Top-Elektroden auf dem Film zu hinterlegen. Entfernen Sie die Probe nach dem Sputtern.
  15. Verwenden Sie eine Messer oder 20 % HF-Säure, um einen 1 x 1 mm-PZT-Abschnitt zu entfernen. Dies ist die unteren SRO Elektrode aufdecken und bilden viele kleine flexible ferroelektrische Kondensatoren.
    Hinweis: Wachsen Sie SRO als die untere Elektrode und dann zahlen Sie Pt auf die Elektroden auf die Filme von DC-Sputtern um viele kleine Kondensatoren bilden die elektronischen Eigenschaften der PZT-Dünnschicht, Messen, die in Abbildung 3dargestellt ist ein.
  16. Malen Sie einen Mantel aus leitfähigen Silber auf die exponierten SRO, Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit der unteren SRO Elektrode. Sicherstellen Sie, dass das leitfähige Silber exponierten SRO kontaktieren kann.

(2) ferroelektrischer Charakterisierung

  1. Biegen Test
    1. Kleben Sie auf der Rückseite der flexiblen Probe ein Stück Papier mit der gleichen Größe wie die Probe für den problemlosen Austausch der Probe von einer Stufe zur anderen.
    2. Ort der PZT/Glimmer auf dem Testboard des Ferroelektrischen Test System und Halbleiter Gerät Analyzer.
    3. Eine Messsonde des Ferroelektrischen Test System und Halbleiter Gerät Analyzer auf der oberen Elektrode Pt und andere Messsonde auf dem Silber-SRO-Layer zu der Hystereseschleifen Polarisation elektrisches Feld (P-E) und Kapazität-elektrisches Feld (C-E) Kurven, während die Probe Ungebeugt ist.
      1. Messen der P-E Hystereseschleifen mit zwei Sonden bei einer Frequenz von 2 kHz und bei 4 V. Maßnahme C-E-Kurven mit den zwei Sonden bei einer Frequenz von 1 MHz und 4 V. Entfernen der Ungebeugt Probe.
    4. Befestigen Sie die flexible PZT/Glimmer dünnen Film auf die gewünschte Form mit doppelseitigem Klebeband. Achten Sie darauf, um das Rutschen/Gleiten von Mica während der Messung zu vermeiden.
    5. Montieren Sie ihn auf der Testplatine des Ferroelektrischen Test System und Halbleiter Gerät Analyzer.
    6. Die obere Elektrode Pt setzen Sie eine Sonde während der andere Taster die unteren SRO Elektrode durch die silberne Beschichtung ähnlich wie die früher verwendeten Konfiguration (Schritt 2.1.3 berührt auf).
    7. Messen Sie Hystereseschleifen P-E und C-E Kurven unter verschiedenen Zug- und Druckspannungen Biegeradien (Abbildung 4).
      1. Messen Sie die P-E Hystereseschleifen mit zwei Sonden bei einer Frequenz von 2 kHz und bei 4 V. Maßnahme C-E-Kurven mit den zwei Sonden bei einer Frequenz von 1 MHz und 4 V.
    8. Die flexible PZT-Probe zu entfernen, wenn der P-E und C-E Messungen abgeschlossen sind.
  2. Thermische Stabilität
    1. Die Testplatine des Ferroelektrischen Test System und Halbleiter Gerät Analyzer PZT/Glimmer aufsetzen.
    2. Eine Messsonde auf der oberen Elektrode Pt und andere Messsonde auf dem Silber-SRO-Layer.
    3. Öffnen Sie die Temperaturregelung die Probe zu beheizen.
    4. Führen Sie die P-E und C-E Messungen bei verschiedenen Temperaturen (25 ° C, 50 ° C, 75 ° C, 100 ° C, 125 ° C, 150 ° C, 175 ° C).
    5. Schalten Sie die Heizung Montage nachdem die Messungen durchgeführt werden.
  3. Zyklisierungsfähigkeit-Biegeversuche
    1. Montieren Sie die flexible PZT/Glimmer in die beiden Nuten dieser Einrichtung.
    2. Befestigen Sie ein Ende der Probe, während es am anderen Ende mit Hilfe eines Motors gebogen ist.
    3. Verwenden Sie ein Lineal, Messen Sie die Länge der PZT/Glimmer zusammen mit der (biegen) Bewegungsrichtung des Motors vor dem 8 mm Biegeprozess (Abbildung 5).
    4. Berechnen Sie die Länge der Bewegung C um biegen Sie die Probe 5 mm nach der Formel: C=L-2Rsin(L/2R), wo L ist die Länge der PZT/Glimmer in Ungebeugt Zustand, R ist die Biegeradien und C ist die Bewegung des Motors.
    5. Legen Sie Anzahl der Biegezyklen (1000) auf dem Computer (Abbildung 6).
    6. Klicken Sie auf den Startknopf (Abbildung 6) um die hin und her Motorbewegung zu initiieren.
    7. Entfernen Sie die Probe und Messen der P-E zu prüfen, ob die Ferroelektrischen Eigenschaften erhalten bleiben.

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Ergebnisse

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Das epitaktische Dünnfilme PZT/SRO/CFO/Glimmer abgelagert wurden mit der pulsed Laser Deposition Technik, wie in Schritt 1 beschrieben. Abbildung 1 zeigt das Wachstum Schema und Abbildung 2 zeigt ein tatsächliche flexible NVM Element basierend auf dem PZT.

Mechanische Stabilität ist ein wesentlicher Aspekt der flexiblen Geräteanwendung. Die makroskopische ferroe...

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Diskussion

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Der wichtigste Schritt bei der Herstellung von Ferroelektrischen Elemente liegt in der Verwendung einer sauber und sogar/flache Substratoberfläche. Obwohl frisch gespalten Glimmer Oberfläche atomar glatt ist, ist es notwendig, achten Sie auf Oberflächen verhindert leiden sichtbar Splittern, split-Schichten, Risse, Einschlüsse, etc. nach Absetzung der PZT-Schicht, die Probe unter abgekühlt war ein hohe Sauerstoffdruck (200-500 mm Hg), die Sauerstoff-Stellenangebote zu reduzieren. Ex-Situ Top Platinelektr...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben keine finanziellen Interessenkonflikte offenlegen.

Danksagungen

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Diese Arbeit wurde von National Natural Science Foundation of China (Grant Nr. 11402221 und 11502224), der Staat Schlüssel Labor von intensiv gepulste Strahlung-Simulation und Wirkung (SKLIPR1513) und Hunan Provinz Schlüssel Forschung und Entwicklungsplan (Nr. unterstützt. 2016 WK 2014).

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Equipment
PLD 5000
Radiant Technologies Precisions Workstations RT66A
Analysator für HalbleiterbauelementeAgilent B1500A
BiegeformenhausgemachtMaschinell bearbeitetes Teflonmaterial
BiegetischhausgemachtesLabview-Interface-Setup, das eine präzise Verschiebung von nur 1 Mikrometer bietet
SputtersystemPeking  AufwendigeETD-3000
Materials
mica(001) BlätterNilaco corporation 
leitfähige silberne FarbeTed Pella, INCNo.16033
CoFe2O4 ZielKurt J.Lesker
SrRuO3 ZielKurt J.Lesker
PbZr0.2Ti0.8O3 targetKurt J.Lesker
Pt ZielHefei Ke jing
hot plate Polish P-20 PLD-System PVD-Produkte Ferroelektrisches Testsystem 990066

Referenzen

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Schlagwörter

PZT D nnschichtPLD Abscheidungferroelektrische CharakterisierungBiegetestthermische Stabilit telektrische Leitf higkeitPlatinelektrodenGlimmersubstrat

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