Summary
이 논문에서 우리 직접 아직 코피는 성장 하는 프로토콜 유연한 리드 지르코늄 타이타늄 메모리 요소에 현재 모스크바 운 모.
Abstract
그들은 휴대용 스마트 전자 장치에 대 한 적용 가능한 미래에, 고밀도 데이터 스토리지 및 낮은 전력 소모 기능 유연한 비휘발성 기억 많은 관심을 받았습니다. 그러나, 유연한 기판에 고품질 산화물 기반의 비휘발성 메모리 소재 특성 및 피할 수 없는 고온 제조 공정에 의해 종종 제한 됩니다. 이 논문에서는, 프로토콜은 직접 코피 아직 유연한 리드 지르코늄 타이타늄 메모리 요소 모스크바 운 모에 성장 것을 제안 하 고 있다. 다양 한 증 착 기술 및 측정 방법 스마트 장치의 다음 세대에 필요한 유연한 아직 단일 결정 비 휘발성 메모리 요소의 제조 가능
Introduction
유연한 비휘발성 메모리 요소 (NVME)의 성공적인 제작 유연한 전자의 모든 잠재력을 악용에 중요 한 역할을 한다. NVME 가벼운 무게, 낮은 비용, 낮은 전력 소비, 빠른 속도 높은 저장 밀도 기능 외에 데이터 저장, 정보 처리 및 통신 기능을 한다. 페로 Pb (Zr, Ti) O3 (압)의 큰 분극, 빠른 분극 스위칭, 높은 퀴리 온도, 낮은 강제 필드와 높은 압 전 계수를 고려 하 고 이러한 응용 프로그램에 대 한 인기 있는 시스템 역할을 합니다. Ferroelectric 비휘발성 기억에 외부 전압 펄스 두 나머지 분극 '0'과 '1'로 표현 하는 2 개의 안정 방향 사이 전환할 수 있습니다. 그것은 비-휘발성, 그리고 나노초 내에서 읽기/쓰기 프로세스를 완료할 수 있습니다. NVME 유기1,2,,34,,56 및 무기7,,89,10에 따라 ,11,12,13,,1415 ferroelectric 자료 유연한 기판에 시도. 그러나, 이러한 통합의 높은 온도 성장 또한 저하 장치 성능, 현재 누설 및 그들의 거친 표면 때문에 전기 단락 뿐만 아니라 기판의 무 능력에 의해 제한 됩니다. 유망한 결과도 불구 하 고 기판8 의 숱이 같은 전략을 대체 및15 유연 기판 코피 레이어 전송 고통을 정교한 다중 단계 프로세스에 비추어 제한 된 생존에 전송, 및 제한 된 적용의 예측입니다.
앞서 언급 한 이유로 탐험 더 유연한 전자 사전 소프트 기판의 제한 열 및 운영 안정성을 극복할 수 있는 적절 한 기판에 중대 하다. 자연 모스크바 운 모 (칼2(AlSi3O10) (OH)2) 개별적으로 매끄러운 표면, 높은 열 안정성, 화학 inertness, 높은 투명성, 기계적 유연성, 같은 독특한 기능으로 기판 및 현재 제조 방법 호환성 효과적으로 이러한 문제를 해결 하려면 사용할 수 있습니다. 더 많은 그래서, 단사 운 모 2 차원 계층된 구조 격자와 일치 하는 조건, 그로 인하여 크게 억제 효과 클램핑 기판 열 완화 판 데르 발스 피를 지원 합니다. 이러한 장점 기능 산화물16,17,18,19,20,,2122의 직접 성장에 이용 되는 23 모스크바에 최근에, 유연한 장치 응용 프로그램의 관점에서.
여기, 우리가 직접 코피 아직 유연한 리드 지르코늄 타이타늄 (압) 박막 모스크바 운 모에 성장 하는 프로토콜을 설명 합니다. 이 운 모, 반 데르 발스 heteroepitaxy 결과의 다양 한 속성에 펄스 레이저 증 착 과정을 통해 이루어집니다. 이러한 조작된 구조 엄밀한 단일 결정 기판에 코피 압의 모든 우수한 속성을 유지 하 고 우수한 열 및 기계적 안정성을 전시. 이 간단 하 고 신뢰할 수 있는 방법은 다단계 전송 및 전략 숱이 기판 기술의 이점을 제공 하 고 많이 기다려온 유연 하면서도 단일 결정 비 휘발성 메모리 요소에 대 한 필수의 개발을 용이 하 게 다음-세대 고성능 스마트 장치입니다.
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Protocol
1. 유연한 압 박막 제조
- 운 모 시트에서 1 cm × 1 cm 운 모 기판이 위로 잘라.
- 양면 테이프를 사용 하 여 책상에이 1 cm × 1 cm 운 모 기질을 수정 합니다.
- 껍질-운 모 레이어-의해-계층에서 원하는 두께 (50 µ m)까지 마이크로미터로 측정을 핀셋을 사용 합니다.
- 붙여넣기를이 갓 5 ' 기판 홀더 실버 페인트의 얇은 레이어를 사용 하 여에 운 모 기판 죽 습 고 기판에 운을 단단히 부착 하 10 분 동안 뜨거운 접시에 120 ° C에서 그것을 치료.
- PLD (펄스 레이저 증 착) 기판 홀더를 PLD 챔버에 넣으십시오.
- 반복 속도 (예를 들어, 10 Hz)을 선택 하 고 레이저 에너지 (예를 들어, 300 엠 제이).
- 설정된 위치에 초점 렌즈를 이동 합니다.
- 셔터를 열고 5 nm CoFe2O4 (CFO) 입금 [에너지 레이저: 300 엠 제이, 산소 압력: 50 mTorr, 샘플 온도: 590 ° C, 증 착 시간: 5 분] 레이저 (그림 1)을 실행 하 여 버퍼 층으로 박막.
- 20-80 nm SrRuO3 (SRO) 입금 [에너지 레이저: 300 엠 제이, 산소 압력: 100 mTorr, 샘플 온도: 680 ℃, 증 착 시간: 10-30 분] 레이저 (실행 하 여 후속 전기 성능 테스트에 대 한 아래 전극으로 CFO 버퍼 층에 그림 1)입니다.
- 보증금 150는 nm 압 [에너지 레이저: 300 엠 제이, 산소 압력: 100 mTorr, 샘플 온도: 650 ° C, 증 착 시간: 60 분] 레이저 (그림 1)을 실행 하 여 SRO 하단 전극 위에 박막.
- N2 를 사용 하 여 챔버를 환기 하 고 온도 실내 온도 도달 하면 압/운 모 샘플 (그림 2)를 제거 합니다.
- 유리의 조각에 샘플을 넣어.
- 샘플 위에 200 µ m 직경을 가진 미리 정의 된 메시를 넣어. 메시를 잘 해결 하 고 스퍼터 링 챔버로 메쉬 샘플을 넣어.
- DC 스퍼터 링 (10 mA, 8 mbar, 6 분) 영화에 Pt 최고 전극 입금 사용 합니다. 스퍼터 링 후 샘플을 제거 합니다.
- 1mm x 1mm 압 섹션을 제거 칼 또는 20 %HF 산을 사용 합니다. 이것은 하단 SRO 전극 폭로 하 고 많은 작은 유연한 ferroelectric 커패시터를 형성입니다.
참고: SRO 하단 전극으로 성장 하 고 DC 많은 작은 커패시터를 스퍼터 링 압 박막, 그림 3에 나와 있는의 전자 속성을 측정 하 여 영화에 전극 위에 Pt를 입금. - 하단 SRO 전극의 전기 전도성을 증가 노출된 SRO에 전도성 실버 코트 페인트. 전도성 실버 노출된 SRO에 연결할 수 있는지 확인 하십시오.
2. ferroelectric 특성
- 굽 힘 시험
- 유연한 샘플의 뒷면에 접착제 같은 쉬운 샘플의 한 단계에서 다른 전송에 대 한 샘플 크기와 종이.
- 압/운 모 ferroelectric 테스트 시스템 반도체 소자 분석기 테스트 보드에 놓습니다.
- Pt 최고 전극에 ferroelectric 테스트 시스템, 반도체 소자 분석기에의 한 측정 프로브를 넣고 분극 전기 분야 (P E) 히스테리시스 루프를 실버 SRO 레이어에 다른 측정 프로브를 넣어 고 샘플은 구부러진 곡선을 커패시턴스-전기 분야 (C-E).
- 2 kHz 주파수에서 두 개의 프로브와 P-E 히스테리시스 루프를 측정 하 고 4 두 V. 측정 C-E 곡선 프로브 1 MHz 주파수에서와 제거 대 4 벤드펴기 샘플.
- 양면 테이프를 사용 하 여 원하는 몰드에 유연한 압/운 모 박막을 보호 합니다. 측정 중 운의 미 끄 러/활공을 피하기 위해 주의.
- Ferroelectric 테스트 시스템 반도체 소자 분석기 테스트 보드에 탑재 합니다.
- 동안 다른 프로브 접촉 하단 SRO 전극은 이전에 사용 하는 구성에 비슷한 코팅 (2.1.3 단계)를 통해 하나의 프로브 Pt 최고 전극에 넣어.
- P-E 히스테리시스 루프와 각종 인장 및 압축 굽 힘 반지름 (그림 4)에서 C-E 곡선을 측정 합니다.
- 두 개의 프로브와 4 V 1 MHz 주파수에서 두 프로브 2 kHz 주파수와 4 대 법안 C-E 곡선에서 P-E 히스테리시스 루프를 측정 합니다.
- P-E와 C E 측정 완료 되 면 유연한 압 샘플을 제거 합니다.
- 열 안정성
- 압/운 모 ferroelectric 테스트 시스템 반도체 소자 분석기 테스트 보드에 넣어.
- Pt 최고 전극에 대 한 측정 프로브를 넣고 실버 SRO 레이어에 다른 측정 프로브를 넣어.
- 샘플이 열 온도 제어 시스템을 엽니다.
- 다른 온도 (25 ° C, 50 ° C, 75 ° C, 100 ° C, 125 ° C, 150 ° C, 175 ° C)에 P-E와 C E 측정을 수행 합니다.
- 측정 완료 후 히터 어셈블리를 해제 하십시오.
- 벤딩 cyclability 테스트
- 이 설정의 두 개의 홈으로 유연한 압/운 모 탑재 합니다.
- 모터의 도움으로 다른 쪽 끝에서 핀이 구부러지거나 하는 동안 샘플의 한쪽 끝을 수정 합니다.
- 8 m m 절곡 과정 (그림 5) 전에 모터의 운동 (절곡) 방향 함께 압/운 모 길이 측정 하는 통치자를 사용 합니다.
- 예제 수식에 따라 5mm 구 부 운동 길이 C 계산: C=L-2Rsin(L/2R), 어디 L 압/운 모 벤드펴기한 상태에서의 길이, R 벤딩 반지름 이며 C 모터의 움직임입니다.
- 컴퓨터 (그림 6)에 주기 (1000)를 절곡의 수를 설정 합니다.
- 앞뒤로 모터 동작을 시작 하려면 시작 버튼 (그림 6)을 클릭 합니다.
- 샘플을 제거 하 고 ferroelectric 특성 유지 여부를 확인 하려면 P E를 측정.
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Representative Results
1 단계에에서 설명 된 대로 코피 압/SRO/CFO/운 모 박막 펄스 레이저 증 착 기법으로 예금 되었다. 그림 1 에서는 성장 계획 그리고 그림 2 는 압에 따라 실제 유연한 NVM 요소를 보여 줍니다.
기계적 안정성은 유연한 장치 응용 프로그램의 중요 한 측면 이다. 기계적인 flexing에 대 한 heterostructure의 거시적인 ferroelectric 성능 인장 및 압축 굽 힘에서 평가 했다. 그림 7a 와 7b 압축 및 인장 굽 힘 반지름 (R)에서 다양 한 압 커패시터의 P와 C-E 히스테리시스 루프를 표시. 그림 7 c 상수 P토, Pr, Ec 와 커패시턴스 값 다른 벤딩 반지름 아래 실험 오류를 보여줍니다. 해당 하는 공칭 변형 값으로 추정 
어디 η tf /tS, χ = = Yf /YS, Yf 압 층의 탄성 계수 이며 YS 영의 계수는 운 모도 표시 됩니다. 이러한 결과 압 얇은 film 커패시터는 유연한 전자 장치 응용 프로그램에 필요한, 라만 분광학20에 의해 또한 확인 했다 기계적인 제약 조건 하에서 안정 된 전기적 특성을 유지 하는 것 건의 한다.
잘 포화 및 대칭 분극 전기 분야 (P E) 히스테리시스 루프와 1 MHz 및 새로운 장치에 대 한 25-175 ° C에서 배열 하는 온도에서 측정 하는 heterostructure의 "나비" 커브와 커패시턴스-전기 분야 (C-E)이 표시 됩니다. 그림 8a 와 8b, 각각. 이 ferroelectric 커패시터 상수 채도 분극 (P토), 나머지 분극 (Pr), 강제 필드 (Ec)와 그림 8 c와 같이 넓은 온도 범위에서 커패시턴스를 전시 한다. heterostructure에는 또한 높은 유지와 지구력 100 ° C20에서 뿐만 아니라 실 온에서 유지 한다. 이러한 결과 압/운 모 heterostructure 높은 온도 전자 장치에 잠재적인 응용 프로그램을 가질 수 있다는 의미.
Cyclability 테스트의 시리즈 실용적인 응용 프로그램에 대 한 압/운 모 heterostructures를 확인 하기 위해 실행 되었다. 그림 9 보여준다 P E 루프 1000 벤딩 주기 전후 모두 인장 및 압축 긴장 상태에서. 편의 위해 다른 벤딩 모드에서 P E 루프를 수직으로 전치 했다. 그것은 주목할 만한는 heterostructure 변형 굽 힘 특성에 관계 없이 5 mm의 벤딩 반경 1000 벤딩 사이클 후에 ferroelectric 동작을 유지.
그림 1 . 운 모에 요소를 유연한 메모리의 성장 계획. (~ 10-6 Torr) 기본 압력 챔버를 철수 하 고 590 ° c 샘플 온도 CFO 성장 50 mTorr에 산소 압력을 조정 합니다. 680 ° C에 온도 증가 하 고는 SRO 성장 100 mTorr로 산소 압력을 조정 합니다. 650 ° C로 온도 감소 하 고 산소 압력은 압 성장 100 mTorr 조정 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2 . 운 모에 유연한 메모리 요소의 사진. 유연한 메모리 요소는 쉽게 구부러진 될 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3 . P-E 히스테리시스 루프 및 C-E 곡선 측정 회로도 구성. SRO 하단 전극을 다른 프로브 압 박막의 전자 속성을 측정 하기 위해 영화에 Pt 최고 전극에 연결 하는 동안 하나의 프로브를 사용 하 여 문의 하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4 . 다른 금형 고정 벤딩 반지름 (R). 벤딩 금형 디자인 했다 만든/autoCAD를 사용 하 여 그려지고 3D 프린터를 사용 하 여 인쇄 됩니다. 이러한 금형 고정된 벤딩 반지름 (R)의 유도 보고 압축 및 인장 벤딩 긴장 (R = ±12.5 m m, ±10.0 m m, ±7.5 m m, ±5.0 m m, ± 2.5 m m, 양수 (부정적인) 부호는 heterostructures 받을 때 인장 (압축) 스트레인에 해당 그들에 탑재). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5 . 테스트 주기 벤딩 절곡을 수행 하는 단계 Heterostructure 길이 (C) 벤드펴기한 상태에는 규칙에 의해 측정 된다. 벤딩 주기 측정에 대 한 사용 하 여 컴퓨터 지원 홈 벤딩 설치 내장. 얇은 시트를 홈 두 팔 굽 힘 단계에 의하여 이루어져 있다. 한 팔은 컴퓨터와 인터페이스 스테퍼 모터와 함께 얇은 시트를 구 부 다른 팔을 이동할 수 있습니다 하는 동안 고정 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 6 . 벤딩 테스트 프로토콜 프로그램. 모터의 움직임을 제어 하는 전산 홈 벤딩 설치 내장을 사용 합니다. 설치 벤딩 무대에 1 µ m로 작은 변위를 제공 하 여 구부러진 샘플의 길이 있습니다. 한 수 (2.3.4 참조) 벤딩 반지름을 설정할 뿐 아니라 벤딩 사이클을 수행. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 7 . 서로 다른 벤딩 반지름 ferroelectric 속성. 아래 다양 한 인장 및 압축 굽 힘 반지름 (한) 편광 및 (b) 커패시턴스의 전기 분야 의존성 (c) 포화 분극 (P토), 나머지 분극 (Pr), 강제 필드 (Ec) 및 굽 힘 반지름의 함수로 서 정전 용량. 스트레인 값 또한 (텍스트 참조) 표시 됩니다. 이 그림은 권한을20로 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 8 . 높은 온도에서 ferroelectric 속성. 다른 온도에 (한) 편광 및 (b) 커패시턴스의 전기 분야 의존성 (c)토P, Pr, Ec 와 커패시턴스의 열 진화. 이 그림 은 권한을20로 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 9 . 사이클을 절곡 후 ferroelectric 속성. P-E 히스테리시스 루프 인장 및 압축 벤딩 반지름 5mm의 아래 10 ~ 1000 벤딩 주기 전후. 이 그림은 권한을20로 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
Ferroelectric 요소 제작에서 핵심적인 단계는 깨끗 하 고 도/평면 기판 표면에의 사용에 있다. 보이는 쪼개기 고통에서 서피스를 방지에 관심을 지불, 레이어, 균열, 포함, 등 압 층의 증 착 후 분할 하는 데 필요한 갓 쪼개진된 운 모 표면 원자적 부드러운 하지만, 샘플에서 냉각 했다는 높은 산소 압력을 줄이기 위해 산소 공석 (200-500 Torr). 최고의 백 금 전극 현장 전 많은 Pt/압/SRO 커패시터 요소를 형성 하는 미리 정의 된 메시를 통해 예금 되었다. 굽 힘 시험을 수행 하기 샘플 다른 금형 사이의 샘플의 환경 전송을 사용할 수 있도록 유사한 크기의 종이에 붙어 있었다. 기계적으로 압축 또는 인장 상태에 따라 샘플을 변형 하는 데 사용 하는 금형 3D 프린터에서 인쇄 되었다. 자전거 테스트 중 샘플의 양쪽 끝은 운 모 층의 미 끄 러 지는 것을 피하기 위하여 단단히 개최 했다.
그러나, PLD 기술의 균일성의 고유의 작은 지역 대규모 생산에 그것의 적용을 제한합니다. 균열 없이 운의 좋은 작품을 선택 하는 프로세스 시간이 많이 걸리는 이기도 합니다. 운 모 수 없습니다 수 뻗어 압축, 고 따라 운 모에 성장 장치 뻗어 수 없거나 또는 압축, 너무. 운 모에 성장 하는 재료의 많은 버퍼 레이어 생산 과정에 대 한 복잡성을 증가 하는 좋은-품질 영화를 해야 합니다. 이러한 고유의 문제 유연한 소자의 개발을 제한합니다. 따라서, 그것은 자세히 nucleation 및 반 데르 발스 택시 동안에 적용 하는 메커니즘을 이해 하는 데 필요한 전자 판 데르 발스-heterointerfaces에 걸쳐 이러한 문제를 회피 하기 위해 커플링.
유연한 NVME을 실현 하기 위한 현재 고용된 전략 등 폴리머 기판의 사용의 기판 또는 코피 전송 기술. 폴리머 기판 우수한 기계적 준수 전시, 비록 그들의 저온 안정성 부정적인 방법으로 장치 성능을 영향을 줍니다. 또한, 기판8 또는 코피 성장 및 유연한 폴리머 기판15 에 후속 전송 숱이 다단계 지루한 과정을 포함 한다. 운 모22,를 포함 하는 반 데르 발스 피23 격자 열 일치 조건 더 쉬워질 뿐만 아니라 또한 완화 효과, 성능 통계 코피 시스템 실현을 위한 유익한 클램핑 기판 단일 결정 대량 대응 압/운 모에 반영에 버금가. 또한, 2D 레이어 된 운 모 기판 기계 및 열 제약 조건에 대 한 강력한 ferroelectric 동작을 유지 하는 무료-서-같은 메모리 요소 실현의 이점을 준다. 압/운 모 시스템20, 위에서 언급 한 다양 한 접근의 문제를 circumvents까지 모든 유연한 메모리 요소 중 최고의 성능을 있습니다.
Mica의 투명도 투명 한 NVME를 달성 하기 위해 악용 될 수 있습니다. (외견상) 반 데르 발스 택시의 특성상 기존의 택시에 제한 된 소재 조합을 넘어 소재 데이터베이스를 확장할 수 있습니다. 운 모에 판 데르 발스 피 설계 및 유연한 전자 소자의 다음 세대의 개발에 상당한 연구 관심을 일으킬 것 이다 예상 됩니다.
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Disclosures
저자는 공개 경쟁 금융 관심 없다 있다.
Acknowledgments
이 작품은 자연 과학 재단의 중국 국가 (부여 No. 11402221와 11502224), 국가 열쇠 실험실의 강렬한 펄스 방사선 시뮬레이션 효과 (SKLIPR1513)와 호남 지방 키 연구 및 개발 계획 (제에 의해 지원 되었다 2016 주 2014)입니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| hot plate | Polish | P-20 | |
| PLD system | PVD products | PLD 5000 | |
| Ferroelectric test system | Radiant Technologies Precisions workstations | RT66A | |
| Semiconductor device analyzer | Agilent | B1500A | |
| Bending molds | home-made | Machined teflon material | |
| Bending stage | home-built | Labview interfaced setup which provides a prescise displacemnt as small as 1 micrometer | |
| Sputtering system | Beijing Elaborate | ETD-3000 | |
| Materials | |||
| mica(001) sheets | Nilaco corporation | 990066 | |
| conductive silver paint | Ted Pella, INC | No.16033 | |
| CoFe2O4 target | Kurt J.Lesker | ||
| SrRuO3 target | Kurt J.Lesker | ||
| PbZr0.2Ti0.8O3 target | Kurt J.Lesker | ||
| Pt target | Hefei Ke jing |
References
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