Artículo de método

Una fabricación y método de medición de un elemento ferroeléctrico Flexible basado en heteroepitaxias de Van Der Waals

DOI:

10.3791/57221

⸱

8 de abril de 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

En este artículo

Resumen

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En este trabajo, presentamos un protocolo directamente creciendo un epitaxial todavía elemento de memoria de titanato de circonio de cable flexible en la mica moscovita.

Resumen

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Memorias no volátiles flexibles han recibido mucha atención como son aplicables para dispositivo electrónico inteligente portátil en el futuro, confiando en las capacidades de bajo consumo de energía y almacenamiento de datos de alta densidad. Sin embargo, la memoria no volátil de óxido de alta calidad basado en los substratos flexibles es a menudo limitada por las características del material y el proceso de fabricación de alta temperatura inevitable. En este trabajo, se propone un protocolo directamente crecimiento epitaxial pero flexible plomo circonio titanato memoria elemento de mica moscovita. El método de medición y técnica de deposición versátil permiten la fabricación de elementos de memoria no volátil flexible pero monocristalino necesarios para la próxima generación de dispositivos inteligentes.

Introducción

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La exitosa fabricación de elementos de memoria no volátil flexible (NVME) desempeña un papel clave en la explotación de todo el potencial de la electrónica flexible. NVME disponen de peso ligero, bajo costo, de baja potencia consumo, alta velocidad y capacidades de almacenamiento alta densidad además de almacenamiento de datos, procesamiento de la información y la comunicación. Perovskita Pb (Zr, Ti) O3 (PZT) actúa como un sistema popular para las aplicaciones teniendo en cuenta su gran polarización, polarización rápida conmutación, alta temperatura de Curie, bajo campo coercitivo y alto coeficiente piezoeléctrico. En memoria no volátil ferroeléctrico, un pulso de voltaje externo puede cambiar las polarizaciones dos remanente entre dos direcciones estables, representadas por '0' y '1'. Es no volátil, y puede completarse el proceso de lectura y escritura en nanosegundos. NVME base orgánica1,2,3,4,5,6 y inorgánicos7,8,9,10 ,11,12,13,14,15 materiales ferroeléctricos se han intentado sobre sustratos flexibles. Sin embargo, esta integración está limitada por no sólo la incapacidad de los sustratos de crecimiento de alta temperatura, pero también el rendimiento degradado, fuga de corriente y cortocircuitos debido a sus superficies más ásperas. A pesar de resultados prometedores, alternan estrategias como la reducción de sustrato8 y la transferencia de la capa epitaxial en un substrato flexible15 sufren viabilidad restringida ante el sofisticado proceso de varias fases, la imprevisibilidad de la transferencia y aplicabilidad limitada.

Por las razones ya mencionadas, es fundamental explorar un sustrato adecuado que es capaz de superar la limitada estabilidades térmicas y operacionales de substratos suaves para avanzar electrónica flexible. Una mica moscovita natural (KAl2(AlSi3O10) (OH)2) sustrato con características únicas como atómico alisar superficies, alta estabilidad térmica, inercia química, alta transparencia, flexibilidad mecánica, y compatibilidad con los métodos actuales de fabricación puede utilizarse para tratar eficazmente estas cuestiones. Más aún, la estructura de capas bidimensional de mica monoclínico apoya epitaxy de van der Waals, que mitiga el enrejado y coincidencia de condiciones, de tal modo perceptiblemente suprimir el sustrato efecto de sujeción térmico. Estas ventajas han sido explotadas en el crecimiento directo de óxidos funcionales16,17,18,19,20,21,22, 23 en mica recientemente, a la vista de aplicaciones para dispositivos flexibles.

Adjunto, describimos un protocolo para directamente crecimiento epitaxial todavía flexible plomo circonio titanato (PZT) de películas delgadas de mica moscovita. Esto se logra mediante un proceso de deposición pulsada del laser depende de las propiedades versátiles de mica, lo que resulta en heteroepitaxias de van der Waals. Tales estructuras prefabricadas conservar todas las propiedades superiores de PZT epitaxial en sustratos rígidos de cristalinos únicos y exhibe excelentes estabilidades térmicas y mecánicas. Este enfoque simple y fiable ofrece una ventaja tecnológica sobre multietapa-transferencia y estrategias de reducción de sustrato y facilita el desarrollo de elementos de la tan esperada flexible pero monocristalino memoria prerrequisitos para dispositivos inteligentes de última generación con un alto rendimiento.

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Protocolo

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1. fabricación de películas delgadas de PZT Flexible

  1. Corte un substrato de mica de 1 cm x 1 cm de una hoja de mica con tijeras.
  2. Fijar este substrato de mica de 1 cm x 1 cm en un escritorio usando cinta de doble cara.
  3. Utilice unas pinzas para pelar apagado la mica capa-por-capa hasta el espesor deseado (50 μm), medida con un micrómetro.
  4. Pegue esto recién troceados substrato de mica en un portamuestras de sustrato de 5'' con una fina capa de pintura plateada y curar a 120 ° C sobre una placa caliente por 10 minutos fijar firmemente la mica en el substrato.
  5. Ponga el soporte del sustrato PLD (Pulsed Laser Deposition) en la cámara PLD.
  6. Seleccione la tasa de repetición (p. ej., 10 Hz) y laser (p. ej., 300 mJ) de energía.
  7. Mover la lente de enfoque a la posición.
  8. Abra el obturador y depositar 5 nm CoFe2O4 (CFO) [energía del Laser: 300 mJ, presión de oxígeno: 50 mTorr, temperatura de la muestra: 590 ° C, tiempo de deposición: 5min] película fina como una capa del almacenador intermediario mediante la activación del láser (figura 1).
  9. Depositar un 20-80 nm SrRuO3 (SRO) [energía del Laser: 300 mJ, presión de oxígeno: 100 mTorr, temperatura de la muestra: 680 ° C, tiempo de deposición: min 10-30] en la capa del almacenador intermediario del director financiero como el electrodo inferior para pruebas de rendimiento eléctrico posterior mediante la activación del láser ( Figura 1).
  10. Depósito a 150 nm PZT [energía del Laser: 300 mJ, presión de oxígeno: 100 mTorr, temperatura de la muestra: 650 ° C, el tiempo de deposición: 60 min] delgada película en la parte superior de electrodo inferior de SRO por disparo del láser (figura 1).
  11. Ventilar la cámara usando N2 y, retire la muestra PZT/mica (figura 2) cuando la temperatura alcanza la temperatura ambiente.
  12. Coloca la muestra sobre un trozo de vidrio.
  13. Poner una malla prediseñada con 200 μm de diámetro en la cima de la muestra. Fijar bien la malla y malla-muestra en la cámara de sputtering.
  14. Utilizar la C.C. que farfulla (10 mA, 8 mbar, 6 min) al depósito superior electrodos de Pt en la película. Retire la muestra después de la pulverización.
  15. Utilice un cuchillo o 20% ácido HF para eliminar una sección PZT de 1 x 1 mm. Se trata de descubrir el electrodo de SRO de fondo y forma muchos pequeños condensadores ferroeléctricos flexibles.
    Nota: Crecen SRO como el electrodo inferior y luego depositar Pt sobre los electrodos en las películas de DC sputtering para formar muchos pequeños condensadores para medir las propiedades electrónicas de la película fina de PZT, que se muestra en la figura 3.
  16. Pintar una capa de plata conductiva en el SRO expuesto para aumentar la conductividad del electrodo inferior SRO. Asegúrese de que la conductora de plata puede contactar con el SRO expuesto.

2. Caracterización ferroeléctrico

  1. Prueba de flexión
    1. En la parte posterior de la muestra flexible, pegue un pedazo de papel con el mismo tamaño que la muestra para facilitar la transferencia de la muestra de una etapa a otra.
    2. Lugar el PZT/mica en el tablero de prueba del ferroeléctrico prueba sistema y semiconductor dispositivo analizador.
    3. Poner una sonda de medición del ferroeléctrico prueba sistema y semiconductor dispositivo analizador en el electrodo superior Pt y poner la otra sonda de medición en la capa de plata-SRO a los lazos de histéresis de campo eléctrico de polarización (P-E) y curvas de campo de capacitancia eléctrica (C-E) mientras que la muestra es desplegada.
      1. Medir los lazos de histéresis P-E con las dos puntas de prueba a una frecuencia de 2 kHz y 4 curvas V. medida C-E con las dos puntas de prueba en una frecuencia de 1 MHz y 4 V. quitar la muestra desplegada.
    4. Asegure la capa fina flexible de PZT/mica en el molde deseado usando cinta de doble cara. Tenga cuidado para evitar el resbalamiento/deslizamiento de mica durante la medición.
    5. Montarlo en el tablero de prueba del ferroeléctrico prueba sistema y semiconductor dispositivo analizador.
    6. Poner una punta de prueba en el electrodo superior Pt mientras que la otra punta de prueba toque el electrodo de SRO de parte inferior a través de la plata capa similar a la configuración utilizada anteriormente (paso 2.1.3).
    7. Medir los lazos de histéresis E P y C E curvas debajo de vario de tracción y compresión flexión radios (figura 4).
      1. Medir los lazos de histéresis P-E con las dos sondas en una frecuencia de 2 kHz y 4 curvas V. medida C-E con las dos puntas de prueba a una frecuencia de 1 MHz y 4 V.
    8. Retire la muestra PZT flexible cuando finalicen las medidas P-E y C E.
  2. Estabilidad térmica
    1. Poner el PZT/mica en el tablero de prueba del ferroeléctrico prueba sistema y semiconductor dispositivo analizador.
    2. Poner una sonda de medición en el electrodo superior Pt y poner la otra sonda de medición de la capa de plata-SRO.
    3. Abrir el sistema de control de temperatura para calentar la muestra.
    4. Realizar las mediciones de P E y C E a diferentes temperaturas (25 ° C, 50 ° C, 75 ° C, 100 ° C, 125 ° C, 150 ° C, 175 ° C).
    5. Apague la unidad del calentador después de las mediciones.
  3. Flexión de etapa de pruebas
    1. Monte el PZT/mica flexible en las dos ranuras de esta configuración.
    2. Fijar un extremo de la muestra mientras está doblada desde el otro extremo con la ayuda de un motor.
    3. Utilice una regla para medir la longitud PZT/mica junto con la dirección del movimiento (flexión) del motor antes de lo 8 mm doblado proceso (figura 5).
    4. Calcular la longitud de movimiento C para la muestra de 5 mm según la fórmula de la curva: C=L-2Rsin(L/2R), donde L es la longitud de PZT/mica en estado desplegada, R es el radio de flexión, y C es la longitud de movimiento del motor.
    5. Establecer el número de ciclos (1000) de doblado en la computadora (figura 6).
    6. Haga clic en el botón de inicio (figura 6) para iniciar el movimiento del motor hacia adelante y hacia atrás.
    7. Retire la muestra y medir el P-E para comprobar si se mantienen las propiedades ferroeléctricas.

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Resultados

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Las películas delgadas de PZT/SRO/CFO/mica epitaxiales fueron depositadas con la técnica de deposición pulsada del laser como se indica en el paso 1. La figura 1 muestra el esquema de crecimiento y la figura 2 muestra un elemento real de NVM flexible basado en el PZT.

Estabilidad mecánica es un aspecto crucial de la aplicación de dispositivos flexibles. Se evalú...

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Discusión

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El paso clave en la fabricación de elementos ferroeléctricos miente en el uso de una superficie limpia y plana incluso del sustrato. Aunque la superficie recién descamada mica es atómico lisa, es necesario prestar atención a la prevención de las superficies del sufrimiento visible fragmentación, fractura de capas, grietas, inclusiones, etc. después de la deposición de la capa PZT, la muestra se enfrió bajo un oxígeno alta presión (200-500 Torr) para reducir las vacantes de oxígeno. Ex situ superior elec...

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Divulgaciones

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Los autores tienen intereses financieros que compiten a revelar.

Agradecimientos

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Este trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias naturales de China (Grant no. 11402221 y 11502224), la simulación de estado clave laboratorio de intensa pulsada la radiación y efecto (SKLIPR1513) y Hunan Provincial clave de investigación y Plan de desarrollo (no. 2016 WK 2014).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
fuerte< / placa caliente fuerte Sistema >
P-20
PLDProductos PVDPLD 5000
Sistema de prueba ferroeléctrico Estaciones de trabajo Precisions de Radiant Technologies RT66A
dispositivos semiconductores Agilent B1500A Moldes
de flexiónmaterial deteflón mecanizado
Etapa de flexióninterconectada Labview construidaen casa
Sistema de pulverización catódicaBeijing   Elaboradasláminas ETD-3000
Materials
mica(001)Nilaco corporation 
de plata conductoraTed Pella, INCNo.16033
CoFe2O4 objetivoKurt J.Lesker
SrRuO3objetivo Kurt J.Lesker
PbZr0.2Ti0.8O3 objetivoKurt J.Lesker
ObjetivoPt Hefei Ke jing
pulido Analizador de hecho en casa configuración que proporciona un desplazamiento de presión tan pequeño como 1 micrómetro990066 pintura

Referencias

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