מאמר שיטה

ייצור ושיטת מדידה לרכיב Ferroelectric גמיש בהתבסס על ואן דר Waals Heteroepitaxy

DOI:

10.3791/57221

⸱

8 באפריל 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

במאמר זה

סיכום

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

בנייר זה, אנו מציגים פרוטוקול לגדול ישירות של epitaxial עדיין עופרת גמיש זירקוניום חומצה טיטנית רכיב זיכרון על מוסקבאי מיכה.

תקציר

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

זיכרונות לא נדיף גמיש קיבלו תשומת לב רבה כפי שהם ישימים עבור התקן אלקטרוני חכם נייד בעתיד, בהסתמך על אחסון נתונים בצפיפות גבוהה ויכולות צריכת חשמל נמוכה. עם זאת, הזיכרון לא נדיף תחמוצת באיכות גבוהה המבוססת על מצעים גמיש לעיתים קרובות מוגבלת על-ידי המאפיינים גשמי ואת תהליך בלתי נמנעת פבריקציה נוספת בטמפרטורות גבוהות. בנייר זה, פרוטוקול מוצע לגדול ישירות epitaxial עדיין גמיש עופרת זירקוניום חומצה טיטנית זיכרון רכיב על מוסקבאי מיכה. השיטה טכניקה ומדידה התצהיר רב-תכליתי לאפשר הזיוף של זיכרון נדיף גמיש אך חד-גבישי האלמנטים הדרושים עבור הדור הבא של מכשירים חכמים.

מבוא

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

הזיוף המוצלח של רכיבי זיכרון לא נדיף גמיש (NVME) ממלא תפקיד מרכזי בניצול הפוטנציאל המלא של אלקטרוניקה גמישה. NVME יהיה כוללים קל משקל, צריכת עלות נמוכה, צריכת חשמל נמוכה, מהירות גבוהה, יכולות צפיפות גבוהה אחסון חוץ אחסון נתונים, עיבוד מידע ותקשורת. O פרוביסקיט Pb (Zr, Ti)3 (PZT) פועל כמערכת פופולרי עבור יישומים כגון בהתחשב שלה גדול קיטוב, קיטוב מהיר מיתוג, טמפרטורת קירי גבוה, נמוך שדה הכפייתיים, מקדם פיזואלקטריים גבוהה. בזכרונות לא נדיף ferroelectric, הדופק מתח חיצוני באפשרותך לעבור את polarizations שריד שני בין שני כיוונים יציב, המיוצג על-ידי '0' ל- '1'. זה לא נדיף, תהליך כתיבה/קריאה יכול להסתיים בתוך ננו שניות. NVME מבוסס על אורגני1,2,3,4,5,6 ו אי-אורגנית7,8,9,10 ,11,12,13,14,15 ferroelectric חומרים נוסו על מצעים גמיש. עם זאת, שילוב כזה מוגבל על ידי לא רק של סובסטרטים חוסר היכולת של טמפרטורה גבוהה אבל גם את ביצועי המכשיר מפורק, זליגת הנוכחי וצמיחה לקצר חשמלי עקב שלהם משטחים גסים. למרות תוצאות מבטיחות, לסירוגין אסטרטגיות כמו דילול של המצע8 ולסבול ההעברה שכבה epitaxial על מצע גמיש15 הכדאיות מוגבלת על רקע תהליך רב-שלבי מתוחכמים, . הבלתי צפוי של העברה, תחולתה מוגבלת

מהסיבות הנ ל, חיוני כדי לחקור את המצע המתאים כי הוא מסוגל להתגבר על stabilities תרמית ותפעולי מוגבלת של מצעים רכים כדי לקדם אלקטרוניקה גמישה. טבעי מוסקבאי מיכה (קאל2(AlSi3O10) (OH)2) המצע עם תכונות ייחודיות כמו מאגרי להחלקת משטחים, יציבות תרמית גבוהה, אינרטיות כימית מצוינת ועמידות, שקיפות גבוהה, גמישות מכני, ו תאימות עם שיטות ייצור הנוכחי ניתן להתמודד בצורה יעילה עם בעיות אלה. ויותר מכך, מבנה שכבות דו-ממדיות נציץ המונוקלינית תומך ואן דר Waals epitaxy, אשר מפחית את הסיכון של סריג, התאמת תנאי, בצורה משמעותית ובכך לדכא את המצע מחבר חובק למעקה אפקט תרמי. יתרונות אלה היה לנצל את הצמיחה ישירה של תחמוצות פונקציונלי16,17,18,19,20,21,22, 23 על מוסקוביט לאחרונה, על רקע יישומי המכשיר גמיש.

במסמך זה, אנו מתארים את פרוטוקול לגדול ישירות epitaxial עופרת עדיין גמיש זירקוניום חומצה טיטנית (PZT) סרטים רזה על מוסקבאי מיכה. זו מושגת בתהליך דפוזיציה לייזר פעמו להסתמך על מאפיינים מגוונים של מישה, וכתוצאה מכך ואן דר Waals heteroepitaxy. מבנים אלו מפוברק שומרים על כל המאפיינים מעולה של epitaxial PZT על נוקשה סובסטרטים גבישי יחיד ותערוכות stabilities מכאני ותרמי מעולה. גישה זו פשוטה ואמינה מספק יתרון טכנולוגי על העברת רב-שלבי, המצע דליל אסטרטגיות ומקל על התפתחות הרבה המיוחל גמיש אך חד-גבישי לא נדיף הזיכרון הרכיבים המהווים דרישה מוקדמת עבור הדור הבא מכשירים חכמים עם ביצועים גבוהים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

1. בדיית סרטים רזה PZT גמיש

  1. חותכים מצע נציץ 1 ס"מ על 1 ס"מ מגיליון נציץ עם מספריים.
  2. לתקן את המצע נציץ 1 ס"מ על 1 ס"מ על שולחן באמצעות סרט הדבקה דו-צדדי.
  3. השתמש פינצטה קליפת-off מיכה--השכבה על עד העובי הרצוי (50 מיקרומטר), נמדד עם מיקרומטר.
  4. להדביק את זה טרי ביקע נציץ המצע על 5'' המצע בעל באמצעות שכבה דקה של צבע כסף ולרפא אותה ב 120 ° C על פלטה חמה למשך 10 דקות להצמיד נציץ על המצע בחוזקה.
  5. לשים המחזיק המצע לחמש נשקים (פעמו לייזר בתצהיר) לתוך החדר. לחמש נשקים.
  6. בחר את קצב החזרה (למשל, 10 הרץ), לייזר אנרגיה (למשל, 300 mJ).
  7. העבר את העדשה התמקדות למצב קבוע.
  8. פתח הצמצם, להפקיד 5 nm CoFe2O4 (CFO) [לייזר אנרגיה: 300 mJ, לחץ חמצן: 50 mTorr, לדוגמה טמפרטורה: 590 ° C, התצהיר זמן: 5 דקות] סרט דק כשכבה מאגר ידי המעוררים את הלייזר (איור 1).
  9. הפקדה של 20-80 nm SrRuO3 (הממונה) [לייזר אנרגיה: 300 mJ, לחץ חמצן: 100 mTorr, לדוגמה טמפרטורה: 680 ° C, התצהיר זמן: 10-30 דקות] על השכבה מאגר סמנכ ל כספים כמו האלקטרודה תחתון לבדיקות ביצועים חשמלי העוקבים ידי המעוררים את (לייזר איור 1).
  10. פיקדון 150 nm PZT [לייזר אנרגיה: 300 mJ, לחץ חמצן: 100 mTorr, לדוגמה טמפרטורה: 650 מעלות, התצהיר זמן: 60 דקות] סרט על גג שמיועד התחתון אלקטרודה דק על ידי מפעילה הלייזר (איור 1).
  11. לפרוק את התא באמצעות N2 ולהסיר את הדגימה PZT/מיכה (איור 2) כאשר הטמפרטורה מגיעה לטמפרטורת החדר.
  12. שים המדגם על חתיכת זכוכית.
  13. לשים רשת מוגדרות מראש בקוטר מיקרומטר 200 על המדגם. לתקן את רשת השינוי היטב ולשים רשת-sample אל החדר המלהגים.
  14. השתמש DC התזה (10 מא, 8 mbar, 6 דקות) להפקיד Pt העליון אלקטרודות על הסרט. הסר את הדגימה לאחר התזה.
  15. השתמש חומצה HF סכין או 20% כדי להסיר מקטע PZT 1 מ"מ x 1 מ"מ. זה כדי לחשוף את האלקטרודה שמיועד התחתון ויוצרים רבים קטנים קבלים ferroelectric גמיש.
    הערה: לגדול שמיועד כמו האלקטרודה התחתון ולאחר מכן להפקיד נק' מעל האלקטרודות בסרטים על ידי DC sputtering להקים קבלים קטנים רבים כדי למדוד את תכונות אלקטרוניות של הסרט דק PZT, המוצג באיור3.
  16. צבעו מעיל כסף מוליך על הממונה חשוף כדי להגדיל את מוליכות חשמלית של האלקטרודה שמיועד התחתון. ודא כי הכסף מוליך יכולים ליצור קשר עם הממונה חשוף.

2. אפיון ferroelectric

  1. כיפוף מבחן
    1. בצד האחורי של המדגם גמיש, דבק נייר באותו גודל המדגם להעברה קלה של המדגם משלב אחד למשנהו.
    2. מקם את PZT/מיכה על לוח הבדיקה של מנתח מערכת הבדיקה ferroelectric התקן מוליכים למחצה.
    3. לשים רגש אחד מדידה של מנתח מערכת הבדיקה ferroelectric התקן מוליכים למחצה על האלקטרודה העליון Pt ולשים את החללית מדידה אחרים ברובד כסף-הממונה כדי לקבל את. לולאות היסטרזיס שדה קיטוב-חשמלי (P-E), שדה חשמלי קיבוליות (C-E) עקומות אמנם המדגם מכופפת.
      1. למדוד את. לולאות היסטרזיס P-E עם שני רגשים בתדר 2 קילו-הרץ, 4 עקומות (פ') מדד ה-C-E עם השני רגשים בתדר 1 מגה-הרץ ו- 4 (פ') הדגימה מכופפת.
    4. אבטח את הסרט גמיש דק PZT/מיכה על העובש הרצוי באמצעות סרט הדבקה דו-צדדי. לטפל כדי למנוע את גולשות/גלישה של נציץ במהלך המדידה.
    5. הר זה על לוח הבדיקה של מנתח מערכת הבדיקה ferroelectric התקן מוליכים למחצה.
    6. לשים רגש אחד על האלקטרודה העליון Pt בעוד המכשיר השני נוגע האלקטרודה שמיועד התחתון דרך כסף ציפוי דומים לתצורת השתמשו קודם לכן (שלב 2.1.3).
    7. למדוד את לולאות היסטרזיס P-E ואת C-E עיקולים שונים מתיחה, compressive כיפוף רדיוס (איור 4).
      1. למדוד את. לולאות היסטרזיס P-E עם שני רגשים בתדר 2 kHz ו 4 עקומות (פ') מדד ה-C-E עם שני רגשים בתדר 1 מגה-הרץ ו- 4 V.
    8. הסר את הדגימה PZT גמיש לאחר השלמת המדידות P-E ו- C-E.
  2. יציבות תרמית
    1. ותצברו PZT/מיכה את המבחן של מנתח מערכת הבדיקה ferroelectric התקן מוליכים למחצה.
    2. לשים רגש מדידה אחד על האלקטרודה העליון Pt ולשים את החללית מדידה אחרים ברובד כסף-הממונה.
    3. פתח את מערכת בקרת טמפרטורה לחמם את הדגימה.
    4. לנהל את המידות P-E ו- C-E בטמפרטורות שונות (25 ° C, 50 ° C, 75 ° C, 100 ° C, 125 º C, 150 ° C, 175 ° C).
    5. כבה את מכלול החימום אחרי המדידות נעשות.
  3. בדיקות cyclability כיפוף
    1. לטעון את PZT/מיכה גמיש לתוך החריצים שני של תוכנית התקנה זו.
    2. לתקן את קצה אחד של הדגימה בזמן זה כפופה מהקצה השני בעזרת מנוע.
    3. להשתמש בסרגל כדי למדוד את אורך PZT/נציץ יחד עם כיוון התנועה (כיפוף) המנוע לפני 8 מ"מ כיפוף תהליך (איור 5).
    4. לחשב את אורך תנועה C כדי לכופף את הדגימה 5 מ מ לפי הנוסחה: C=L-2Rsin(L/2R), איפה L הוא אורך PZT/מיכה במצב מכופפת, R הוא רדיוס כיפוף וכן C אורך תנועה של המנוע.
    5. קבע מספר כיפוף מחזורי (1000) במחשב (איור 6).
    6. לחץ על הלחצן התחל (איור 6) ליזום את התנועה הלוך המנוע.
    7. הסר את הדגימה ולמדוד את ה-P-E כדי לבדוק אם המאפיינים ferroelectric נשמרים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

הסרטים דק PZT/הממונה/סמנכ ל כספים/מיכה epitaxial הופקדו עם טכניקה התצהיר לייזר פעמו כמתואר בשלב 1. איור 1 מציג את ערכת גידול ומציג איור 2 רכיב NVM גמיש בפועל בהתבסס על PZT.

יציבות מכנית היא היבט חיוני של יישום התקן גמיש. ביצועי ferroelectric מאקרוסקופית heterostructure נגד כיפוף מכני הוערך תחת מתיחה והן compressive כיפוף. איור 7 א

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

הצעד מפתח הזיוף של אלמנטים ferroelectric נמצא בשימוש של משטח המצע נקי, אפילו/שטוח. למרות השטח נציץ cleaved טרי הוא מאגרי חלקה, יש צורך לשים לב מניעת סבל נלוו גלוי משטחים, לפצל את שכבות, סדקים, הכללות, וכו ' לאחר הפקדת השכבה PZT, המדגם היה מקורר תחת לחץ חמצן גבוהה (200-500 טנדר של גוה של) כדי להפחית את משרות פנויות חמצן. באתרו לשעבר העליון פלטינה אלקטרודות הופקדו באמצעות רשת מוגדרות מראש כדי ליצור אלמנטים רבים של קבל Pt/PZT/הממונה. כדי לבצע כיפוף בדיקות, המדגם היה מחובר פיסת נייר של ממדים דומים כדי לאפשר...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

המחברים יש אינטרסים כלכליים מתחרים לא לחשוף.

תודות

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

עבודה זו נתמכה על ידי הלאומי מדעי הטבע קרן של סין (גרנט ' קט ' 11402221 ו- 11502224), סימולציה מדינת מפתח מעבדה של אינטנסיבי פעמו קרינה, אפקט (SKLIPR1513) הונאן פרובינציה מפתח המחקר ואת תוכנית פיתוח (מס ' 2016 WK 2014).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
<חזק>ציוד
פלטה חמהפולניתP-20
PLD מערכתPVD מוצריPLD PLD 5000
מערכת בדיקה פרואלקטרית תחנות עבודה Radiant Technologies Precisions RT66A
 אג'ילנט B1500A
תבניות כיפוףתוצרתחומר טפלון במכונה
שלב כיפוףביתLabview התקנה ממשקית המספקת תזוזה קטנה כמו 1 מיקרומטר
מערכת מקרטעתבייג'ינג  משוכלל ETD-3000
<חזק>חומרים
נציץ(001) גיליונותNilaco corporation 
990066 צבע כסף מוליךטד פלה, INCמס' 16033
CoFe2O4 יעדקורט ג'יי לסקר
SrRuO3 יעדקורט ג'יי לסקר
PbZr0.2Ti0.8O3 targetקורט ג'יי לסקר
Pt targetHefei Ke jing
מנתח מכשירי מוליכים למחצה בית תוצרת

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kim, W. Y., Lee, H. C. Stable ferroelectric poly (vinylidene fluoride-trifluoroethylene) film for flexible nonvolatile memory application. IEEE Electron Device Letters. 33 (2), 260-262 (2012).
  2. Mao, D., Quevedo-Lopez, M. A., Stiegler, H., Gnade, B. E., Alshareef, H. N. Optimization of poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) films as non-volatile memory for flexible electronics. Organic Electronics. 11 (5), 925-932 (2010).
  3. Lee, G. G., et al. The flexible non-volatile memory devices using oxide semiconductors and ferroelectric polymer poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene). Applied Physics Letters. 99 (1), 012901-012903 (2011).
  4. Kim, R. H., et al. Non-volatile organic memory with sub-millimeter bending radius. Nature Communications. 5, 3583-3594 (2014).
  5. Liu, J., et al. Fabrication of Flexible, All-Reduced graphene oxide non-volatile memory devices. Advanced Materials. 25 (2), 233-238 (2013).
  6. Ji, Y., et al. Stable switching characteristics of organic nonvolatile memory on a bent flexible substrate. Advanced Materials. 22 (28), 3071-3075 (2010).
  7. Ghoneim, M. T., et al. Thin PZT-based ferroelectric capacitors on flexible silicon for nonvolatile memory applications. Advanced Electronic Materials. 1 (6), 1500045-1500054 (2015).
  8. Ghoneim, M. T., Hussain, M. M. Study of harsh environment operation of flexible ferroelectric memory integrated with PZT and silicon fabric. Applied. Physics. Letters. 107 (5), 052904-052908 (2015).
  9. Zuo, Z., et al. Preparation and ferroelectric properties of freestanding Pb(Zr,Ti)O3 thin membranes. Journal of Physics D: Applied Physics. 45 (18), 185302-185306 (2012).
  10. Kingon, A. I., Srinivasan, S. Lead zirconate titanate thin films directly on copper electrodes for ferroelectric, dielectric and piezoelectric applications. Nature Materials. 4 (3), 233-237 (2005).
  11. Shelton, C. T., Gibbons, B. J. Epitaxial Pb(Zr,Ti)O3 thin films on flexible substrates. Journal of the American Ceramic Society. 94 (10), 3223-3226 (2011).
  12. Rho, J., et al. PbZrxTi1−xO3 Ferroelectric thin-film capacitors for flexible nonvolatile memory applications. IEEE Electron Device Letters. 31 (9), 1017-1019 (2010).
  13. Bretos, I., et al. Activated Solutions Enabling Low-Temperature processing of functional ferroelectric oxides for flexible electronics. Advanced Materials. 26 (9), 1405-1409 (2014).
  14. Tsagarakis, E. D., Lew, C., Thompson, M. O., Giannelis, E. P. Nanocrystalline barium titanate films on flexible plastic substrates via pulsed laser annealing. Applied Physics Letters. 89 (20), 202910-202912 (2006).
  15. Bakaul, S. R., et al. High speed epitaxial perovskite memory on flexible substrates. Advanced Materials. 29 (11), 1605699-1605703 (2017).
  16. Li, C. I., et al. Van der Waal epitaxy of flexible and transparent VO2 film on muscovite. Chemistry of Materials. 28 (11), 3914-3919 (2016).
  17. Ma, C. H., et al. Van der Waals epitaxy of functional MoO2 film on mica for flexible electronics. Applied Physics Letters. 108 (25), 253104-253108 (2016).
  18. Bitla, Y., et al. Oxide heteroepitaxy for flexible optoelectronics. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (47), 32401-32407 (2016).
  19. Wu, P. C., et al. Heteroepitaxy of Fe3O4/muscovite: A new perspective for flexible spintronics. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (49), 33794-33801 (2016).
  20. Jiang, J., et al. Flexible ferroelectric element based on van der Waals heteroepitaxy. Science Advances. 3 (6), e1700121-e1700128 (2017).
  21. Amrillah, T., et al. Flexible multiferroic bulk heterojunction with giant magnetoelectric coupling via van der waals epitaxy. ACS Nano. 11 (6), 6122-6130 (2017).
  22. Bitla, Y., Chu, Y. H. MICAtronics: A new platform for flexible X-tronics. Flat Chem. 3, 26-42 (2017).
  23. Chu, Y. H. Van der Waals oxide heteroepitaxy. Quantum Materials. 2 (1), 67-71 (2017).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

PZTPLD

מאמרים קשורים