Article de méthode

Une Fabrication et une méthode de mesure pour un élément ferroélectrique Flexible basé sur l’épitaxie de Van Der Waals

DOI :

10.3791/57221

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8 avril 2018

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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

Dans cet article

Résumé

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Dans cet article, nous présentons un protocole d’augmenter directement un épitaxiale encore élément de mémoire câble flexible zirconium titanate sur mica muscovite.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Flexibles mémoires non volatiles ont reçu beaucoup d’attention car ils sont applicables pour dispositif électronique intelligent portable dans l’avenir, en s’appuyant sur le stockage de données à haute densité et des capacités de faible consommation. Toutefois, la mémoire non volatile de l’oxyde de qualité basé sur des substrats souples est souvent limitée par les caractéristiques des matériaux et le procédé de fabrication de haute température inévitables. Dans cet article, un protocole est proposé directement croissance épitaxiale mais souple plomb zirconium titanate mémoire élément sur mica muscovite. La méthode de dépôt polyvalent technique et mesure permettent la fabrication d’éléments de mémoire non-volatile flexible encore monocristallin nécessaires pour la prochaine génération de dispositifs intelligents.

Introduction

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La fabrication réussie des éléments flexibles de mémoire non volatile (NVME) joue un rôle clé pour exploiter le plein potentiel de l’électronique flexible. NVME doit disposent de poids léger, consommation faible coût, faible puissance, vitesse rapide et capacités de stockage haute densité outre le stockage de données, de traitement de l’information et de communication. Pb de perovskite (Zr, Ti) O3 (PZT) agit comme un système populaire pour ces demandes compte tenu de sa grande polarisation, polarisation rapide commutation, la température de Curie élevée, faible champ coercitif et haut coefficient piézoélectrique. Dans les mémoires non volatiles ferroélectriques, une impulsion de tension externe peut passer les polarisations deux reste entre deux directions stables, représentées par '0' et '1'. Il est non volatile, et le processus de lecture/écriture peut être complété en nanosecondes. NVME basé sur organique1,2,3,4,5,6 et inorganiques7,8,9,10 ,11,12,13,14,15 matériaux ferroélectriques ont été tentées sur des substrats souples. Toutefois, une telle intégration est limitée par non seulement des substrats incapacité de croissance haute température mais aussi la performance de l’appareil dégradées, fuite de courant et court-circuit électrique en raison de leurs surfaces accidentées. Malgré des résultats prometteurs, alternent des stratégies comme l’amincissement du substrat8 et le transfert d’une couche épitaxiale sur un substrat flexible15 souffrent viabilité limitée compte tenu du processus multipas sophistiqué, le imprévisibilité de transfert, ainsi que l’applicabilité limitée.

Pour les motifs susmentionnés, il est essentiel d’explorer un substrat approprié qui est capable de surmonter des stabilités thermiques et opérationnelles limitées des substrats mous pour faire progresser l’électronique flexible. Un mica muscovite naturel (KAl2(AlSi3O10) (OH)2) substrat avec des caractéristiques uniques comme atomiquement lisser les surfaces, haute stabilité thermique, inertie chimique, haute transparence, souplesse mécanique, et compatibilité avec les méthodes actuelles de fabrication peut être utilisée pour traiter efficacement ces questions. Plus encore, la structure en couches bidimensionnelle de mica monoclinique prend en charge l’épitaxie de van der Waals, qui atténue les treillis et thermique correspondant à des conditions, supprimant donc considérablement le substrat à l’effet de serrage. Ces avantages ont été exploités dans la croissance directe d’oxydes fonctionnels16,17,18,19,20,21,22, 23 sur muscovite récemment, compte tenu des demandes de matériel flexible.

Ici, les auteurs décrivent un protocole directement croissance épitaxiale plomb mais souple zirconium titanate (PZT) minces sur mica muscovite. Ceci est réalisé grâce à un procédé de déposition de laser pulsé en s’appuyant sur les propriétés polyvalentes de mica, aboutissant à l’épitaxie de van der Waals. Ces structures préfabriquées conservent toutes les propriétés supérieures d’épitaxiale LUN sur substrats cristallins unique rigides et présente d’excellentes stabilités thermiques et mécaniques. Cette approche simple et fiable fournit un avantage technologique sur multistep-transfert et substrat amincissement stratégies et facilite le développement d’éléments tant attendue et pourtant souple monocristallin mémoire non volatile requis pour dispositifs intelligents de nouvelle génération à haute performance.

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Protocole

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1. confection Flexible PZT minces

  1. Couper un substrat de mica 1 cm x 1 cm d’une feuille de mica avec des ciseaux.
  2. Difficulté ce substrat de mica 1 cm x 1 cm sur un bureau à l’aide de ruban adhésif double-face.
  3. Utiliser les pinces pour décoller le mica couche par couche jusqu'à l’épaisseur désirée (50 µm), mesurée avec un micromètre.
  4. Collez ce fraîchement clivé substrat mica sur un porte-substrat 5'' à l’aide d’une fine couche de peinture argentée et guérir à 120 ° C sur une plaque chauffante pendant 10 minutes fixer fermement les mica sur substrat.
  5. Mettre le porte-substrat PLD (dépôt de Laser pulsé) dans la chambre PLD.
  6. Sélectionnez le taux de répétition (par exemple, 10 Hz) et énergétiques (p. ex., 300 mJ) au laser.
  7. Déplacez la lentille de focalisation sur la position réglée.
  8. Ouvrir l’obturateur et déposer un 5 nm CoFe2O4 (CFO) [Laser énergie : 300 mJ, pression d’oxygène : 50 mTorr, température de l’échantillon : 590 ° C, temps de dépôt : 5 min] mince film comme une couche tampon en déclenchant le laser (Figure 1).
  9. Déposer un 20-80 nm SrRuO3 (SRO) [Laser énergie : 300 mJ, pression d’oxygène : 100 mTorr, température de l’échantillon : 680 ° C, temps de dépôt : 10-30 min] sur la couche de tampon CFO comme l’électrode inférieure pour les essais de rendement électrique en déclenchant la (laser La figure 1).
  10. Dépôt a 150 nm LUN [Laser énergie : 300 mJ, pression d’oxygène : 100 mTorr, température de l’échantillon : 650 ° C, temps de dépôt : 60 min] fin-film sur le dessus de l’électrode inférieure SRO en déclenchant le laser (Figure 1).
  11. Aérer la chambre à l’aide de N2 et retirer l’échantillon PZT/mica (Figure 2) lorsque la température atteint la température de la pièce.
  12. Mettre l’échantillon sur un morceau de verre.
  13. Mettre un maillage prédéfini avec 200 µm de diamètre sur le dessus de l’échantillon. Fixer le maillage bien et mettre le treillis-échantillon dans la chambre de pulvérisation.
  14. Utilisation DC pulvérisation (10 mA, 8 mbar, 6 min) pour déposer des électrodes haut de la page Pt sur le film. Supprimer l’exemple après la pulvérisation.
  15. Utilisez un couteau ou 20 % d’acide HF pour supprimer une section de LUN 1 x 1 mm. Il s’agit de découvrir l’électrode de SRO bas et forment de nombreux petits condensateurs ferroélectriques flexibles.
    NOTE : Croître SRO comme l’électrode inférieure et ensuite déposer Pt sur le dessus les électrodes sur les films de DC pulvérisation pour former plusieurs petits condensateurs pour mesurer les propriétés électroniques du film mince PZT, illustrée à la Figure 3.
  16. Peindre une couche d’argent conductrice sur l’OAR exposée pour augmenter la conductivité électrique de l’électrode de SRO bas. S’assurer que l’argent conductrice peut contacter l’OAR exposée.

2. FERROELECTRIQUE caractérisation

  1. Essai de flexion
    1. Sur la face arrière de l’échantillon flexible, coller un morceau de papier avec la même taille que l’échantillon pour transférer facilement de l’échantillon d’un stade à l’autre.
    2. Placer le PZT/mica sur la carte de test de l’analyseur de test de ferroélectrique semi-conducteurs et système de dispositif.
    3. Mettre une sonde de mesure de l’analyseur de test de ferroélectrique semi-conducteurs et système de dispositif sur l’électrode en haut de la page Pt et mettre la sonde de mesure d’autres sur la couche d’argent-SRO pour obtenir les champ de polarisation électrique (P-E) cycles d’hystérésis et courbes de champ électrique capacité (C-E) tandis que l’échantillon se redresse.
      1. Mesurer les boucles d’hystérésis de P-E avec deux sondes à une fréquence de 2 kHz et 4 courbes de mesure V. le C-E avec les deux sondes à une fréquence de 1 MHz et à 4 V. Retirer l’échantillon se détendit.
    4. Fixez la couche mince flexible PZT/mica sur le moule désiré à l’aide de ruban adhésif double-face. Prendre soin d’éviter la glissade/glissement de mica pendant la mesure.
    5. Montez-le sur la carte de test de l’analyseur de test de ferroélectrique semi-conducteurs et système de dispositif.
    6. Mettre une sonde sur l’électrode en haut de la page Pt, tandis que l’autre sonde touche l’électrode inférieure de SRO à travers l’argent revêtement similaire à celle utilisée précédemment (étape 2.1.3).
    7. Mesurer les cycles d’hystérésis P-E et les courbes de C-E sous divers traction et en compression de courbure (Figure 4).
      1. Mesurer les boucles d’hystérésis de P-E avec deux sondes avec les deux sondes à une fréquence de 1 MHz et à 4 V à une fréquence de 2 kHz et 4 courbes de mesure V. le C-E.
    8. Retirer l’échantillon PZT flexible lorsque les mesures de P-E et C-E sont terminées.
  2. Stabilité thermique
    1. Remettre le PZT/mica sur l’échiquier de test de l’analyseur de test de ferroélectrique semi-conducteurs et système de dispositif.
    2. Mettre une sonde de mesure sur l’électrode en haut de la page Pt et mettre la sonde de mesure d’autres sur la couche d’argent-SRO.
    3. Ouvrir le système de contrôle de température pour chauffer l’échantillon.
    4. Effectuer les mesures P-E et C-E à des températures différentes (25 ° C, 50 ° C, 75 ° C, 100 ° C, 125 ° C, 150 ° C, 175 ° C).
    5. Éteignez le radiateur après que les mesures sont effectuées.
  3. Essais de flexion cyclique
    1. Monter le flexible PZT/mica dans les deux rainures de cette configuration.
    2. Fixer une extrémité de l’échantillon alors qu’elle est tordue de l’autre extrémité à l’aide d’un moteur.
    3. Utilisez une règle pour mesurer la longueur PZT/mica ainsi que de la direction du mouvement (flexion) du moteur avant le 8 mm cintrage procédé (Figure 5).
    4. Calculer la longueur du mouvement C pour plier l’échantillon 5 mm selon la formule : C=L-2Rsin(L/2R), où L est la longueur des PZT/mica en état se détendit, R est le rayon de courbure, et C est la longueur du mouvement du moteur.
    5. Définir le nombre de cycles (1000) de courbure dans l’ordinateur (Figure 6).
    6. Cliquez sur le bouton de démarrage (Figure 6) pour lancer le mouvement en arrière de moteur.
    7. Retirer l’échantillon et mesurer le P-E pour vérifier si les propriétés ferroélectriques sont conservées.

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Résultats

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Les minces épitaxiales de PZT/SRO/CFO/mica ont été déposés avec la technique de dépôt de laser pulsé comme indiqué à l’étape 1. La figure 1 illustre le schéma de croissance et de la Figure 2 illustre un élément réel de NVM flexible basé sur le lun.

Stabilité mécanique est un aspect crucial de l’application du dispositif flexible. La performance ferroélectrique m...

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Discussion

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L’étape clé dans la fabrication d’éléments ferroélectriques réside dans l’utilisation d’une surface propre et plat même substrat. Bien que fraîchement clivé mica est atomiquement lisse, il est nécessaire de prêter attention à la prévention des surfaces subissent des éclats visibles, séparer les couches, fissures, inclusions, etc. après la déposition de la couche de LUN, l’échantillon a été refroidi sous un pression élevée en oxygène (200-500 Torr) afin de réduire les postes vacants de l’oxygène. Ex-situ...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont aucun intérêt financier concurrentes de divulguer.

Remerciements

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Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (Grant nos 11402221 et 11502224), la simulation de l’État touche laboratoire de pulsé rayonnement Intense et effet (SKLIPR1513) et Hunan Provincial clé recherche et Plan de développement (no. 2016 SEM 2014).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Équipement
Plaque chauffantePolonaisSystème P-20
PLD ProduitsPVD Système d’essaiPLD 5000
nbsp ;Stations de travail Radiant Technologies Precisions  ;RT66A
Analyseur de dispositifs à semi-conducteurs  ;Agilent  ;B1500A
Moules de cintrageMatériautéflon usiné
Étape de pliageConfiguration interfacéequi fournit un déplacement précis aussi petit que 1 micromètre
Système de pulvérisationBeijing  ; FeuillesETD-3000
Materials
mica (001)Nilaco corporation  ;
peinture argentée conductriceTed Pella, INCNo.16033
CoFe2O4 cibleKurt J.Lesker
SrRuO3 cibleKurt J.Lesker
PbZr0.2Ti0.8O3 cibleKurt J.Lesker
Pt targetHefei Ke jing
ferroélectrique & en maison Labview faite maison 990066

Références

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Mots-clés

Couche mince de PZTd p t par PLDcaract risation ferro lectriquetest de flexionstabilit thermiqueconductivit lectriquelectrodes de platinesubstrat de mica

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