Methodenartikel

Een fabricage- en meetmethode voor een flexibele ferroelektrische Element op basis van Van Der Waals Heteroepitaxy

DOI:

10.3791/57221

⸱

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 dit artikel

Samenvatting

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

In deze paper presenteren we een protocol toe direct een epitaxiale nog flexibele leiding zirkonium titanate geheugen element op muscoviet mica.

Samenvatting

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

Flexibel niet-vluchtig geheugen hebben veel aandacht gekregen, aangezien zij van toepassing zijn voor draagbare elektronische smart-apparaat in de toekomst beroep op high-density gegevensopslag en loeien-vermogen verbruik mogelijkheden. De niet-vluchtig geheugen van kwalitatief hoogwaardige oxide gebaseerd op flexibele ondergronden wordt echter vaak beperkt door de materiële kenmerken en de onvermijdelijke hoge-temperatuur-Productie-procédé. In deze paper wordt een protocol voorgesteld om direct groeien epitaxiale maar flexibele leiding zirkonium titanate geheugen op element muscoviet mica. De veelzijdige afzetting techniek en meting methode inschakelen de fabricage van flexibele nog single-kristallijn non-volatile geheugenelementen die nodig zijn voor de volgende generatie van slimme apparaten.

Inleiding

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

De succesvolle fabricage van flexibel niet-vluchtig geheugenelementen (NVME) speelt een belangrijke rol bij het benutten van het volledige potentieel van flexibele elektronica. NVME wordt voorzien van lichtgewicht, low-cost, low-power verbruik, hoge snelheid en hoge dichtheid opslagmogelijkheden naast gegevensopslag, informatieverwerking en communicatie. Perovskiet Pb (Zr, Ti) O3 (PZT) fungeert als een populair systeem voor dergelijke toepassingen gezien zijn grote polarisatie, snelle polarisatie over te schakelen, hoogtemperatuur Curie, lage dwingende veld en hoge piëzo-elektrische coëfficiënt. In ferroelektrische niet-vluchtig geheugen, kunt een externe spanning pols schakelen de twee restant polarisaties tussen twee stabiele richtingen, vertegenwoordigd door de '0' en '1'. Het is niet-vluchtig, en het proces van schrijven/lezen binnen nanoseconden kan worden voltooid. NVME gebaseerd op organische1,2,3,4,5,6 en anorganische7,8,9,10 ,11,12,13,14,15 ferroelektrische materialen zijn geprobeerd op flexibele ondergronden. Deze integratie wordt echter beperkt door niet alleen de substraten onvermogen van hoge-temperatuur groei maar ook de aangetaste Apparaatprestaties, huidige lekkage en elektrische kortsluiting vanwege hun ruwere oppervlakten. Ondanks veelbelovende resultaten, alternatieve strategieën zoals het dunner worden van substraat8 en de overdracht van de epitaxiale laag op een flexibele substraat15 lijden beperkte levensvatbaarheid met het oog op de geavanceerde meerstaps proces, de onvoorspelbaarheid van overdracht, en de beperkte toepasbaarheid.

Om de bovengenoemde redenen is het essentieel om te verkennen van een geschikt substraat welk vermag overwinnen beperkte thermische en operationele stabilities van zachte ondergronden tot verder flexibele elektronica. Een natuurlijke muscoviet mica (KAl2(AlSi3O10) (OH)2) substraat met unieke functies zoals beide gladde oppervlakken met hoge thermische stabiliteit, chemische bestendigheid, hoge transparantie, mechanische flexibiliteit, en compatibiliteit met huidige fabricage methoden kan worden gebruikt om effectief omgaan met deze vraagstukken. Meer nog, de twee-dimensionale gelaagde structuur van monoklien mica ondersteunt van der Waals epitaxie, die matigt lattice en thermische afstemmen, waardoor aanzienlijk het onderdrukken van het substraat klemmen effect. Deze voordelen hebben benut in de directe groei van functionele stikstofoxiden16,17,18,19,20,21,22, 23 op muscoviet onlangs, met het oog op de toepassingen van flexibel apparaat.

Hierin beschrijven we een protocol om direct groeien epitaxiale nog flexibele leiding zirkonium titanate (PZT) dunne lagen op muscoviet mica. Dit wordt bereikt door een pulserende laser deposition proces afhankelijk van de veelzijdige eigenschappen van mica, resulterend in van der Waals heteroepitaxy. Dergelijke geconstrueerde structuren behouden alle superieure eigenschappen van epitaxiale PZT op rigide één kristallijne substraten en uitstekende thermische en mechanische stabilities vertoont. Deze eenvoudige en betrouwbare aanpak een technologische voordeel biedt boven multistep-overdracht en substraat uitdunnen van strategieën en vergemakkelijkt de ontwikkeling van de langverwachte flexibele nog single-kristallijn non-volatile geheugenelementen vereiste voor volgende-generatie smart-apparaten met hoge prestaties.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. het fabriceren van flexibele PZT dunne lagen

  1. Snijd een 1 x 1 cm mica substraat van een mica blad met een schaar.
  2. Fix dit 1 x 1 cm mica substraat op een bureau met behulp van dubbelzijdige tape.
  3. Gebruik pincet peel-off van de mica laag-voor-laag tot de gewenste dikte (50 µm), gemeten met een micrometer.
  4. Plak dit vers gekloofd mica substraat op een substraat houder 5'' met behulp van een dun laagje zilver verf en genezen bij 120 ° C op een hete plaat gedurende 10 minuten brengt mica op substraat stevig.
  5. De PLD (Pulsed Laser Deposition) substraat houder in de PLD kamer gebracht.
  6. Selecteer in de herhaling snelheid (bv, 10 Hz) en laser energie (b.v., 300 mJ).
  7. Verplaats de focus lens naar de positie instellen.
  8. Open de sluiter en het storten van een 5 nm CoFe2O4 (CFO) [Laser energie: 300 mJ, zuurstof onder druk: 50 mTorr, Sample temperatuur: 590 ° C, afzetting tijd: 5 min] dunne film als een buffer laag door triggering van de laser (Figuur 1).
  9. Storten van een 20-80 nm SrRuO3 (SRO) [Laser energie: 300 mJ, zuurstof onder druk: 100 mTorr, Sample temperatuur: 680 ° C, afzetting tijd: 10-30 min] op de CFO buffer laag als de onderkant elektrode voor latere elektrische prestatietests door triggering van de laser ( Figuur 1).
  10. Storting per 150 nm PZT [Laser energie: 300 mJ, zuurstof onder druk: 100 mTorr, Sample temperatuur: 650 ° C, afzetting tijd: 60 min] dunne film op de bovenkant van SRO onder elektrode door triggering van de laser (Figuur 1).
  11. Luchten van de kamer N2 gebruikt en verwijder het monster PZT/mica (Figuur 2) wanneer de temperatuur kamertemperatuur bereikt.
  12. Zet het monster op een stuk glas.
  13. Zet een vooraf ontworpen mesh met 200 µm diameter op de top van het monster. De Maas goed vast en zet mesh-monster in het sputteren kamer.
  14. Gebruik DC sputteren (10 mA, 8 mbar, 6 min) te storten Pt top elektroden op de film. Verwijder het monster na het sputteren.
  15. Gebruik een mes of 20% HF-zuur te verwijderen van een 1 x 1 mm PZT sectie. Dit is het ontdekken van de bodem SRO elektrode en vormen van vele kleine flexibele ferroelektrische condensatoren.
    Opmerking: Groeien SRO als de elektrode van de bodem, en dan storten Pt op de top van de elektroden op de films door DC sputteren tot veel kleine condensatoren voor het meten van de elektronische eigenschappen van de dunne film van PZT, die is afgebeeld in Figuur 3.
  16. Verf een jas van geleidende zilver op de blootgestelde SRO te verhogen van de elektrische geleidbaarheid van de bodem SRO elektrode. Zorg ervoor dat de geleidende zilver kunt contact opnemen met de blootgestelde SRO.

2. ferroelektrische karakterisering

  1. Buigen Test
    1. Lijm op de achterkant van het flexibele monster, een stuk papier met hetzelfde formaat als het monster voor een gemakkelijke overdracht van het monster uit één fase naar de andere.
    2. Plaats de PZT/mica op het bord van de test van de ferroelektrische test systeem en halfgeleider apparaat analyzer.
    3. Plaatst u een sonde van de meting van de ferroelektrische test systeem en halfgeleider apparaat analyzer op de bovenste Pt-elektrode en de andere meting-sonde op de laag van zilver-SRO om de polarisatie-elektrisch veld (P-E) hysteresis lussen en de curven van de capaciteit-elektrisch veld (C-E) terwijl het monster unbent is.
      1. Meten van de P-E hysteresis lussen met de twee sondes met een frequentie van 2 kHz en bij 4 V. maatregel de C-E bochten met de twee sondes met een 1 MHz-frequentie en bij 4 V. verwijderen het unbent monster.
    4. Beveilig de flexibele PZT/mica dunne film op de gewenste mal met behulp van dubbelzijdige tape. Zorg voor het vermijden van het uitglijden/glijden van mica tijdens de meting.
    5. Mount het op het bord van de test van de ferroelektrische test systeem en halfgeleider apparaat analyzer.
    6. Zet één sonde op de bovenste Pt-elektrode, terwijl de andere sonde de bodem SRO elektrode door middel van het zilver coating vergelijkbaar met de eerder gebruikte configuratie (stap 2.1.3 raakt).
    7. Het meten van de P-E hysteresis lussen en C-E curven onder verschillende treksterkte en druksterkte buigen stralen (Figuur 4).
      1. Het meten van de P-E hysteresis lussen met de twee sondes met een frequentie van 2 kHz en tegen 4 V. maatregel de C-E curves met de twee sondes met een 1 MHz-frequentie en bij 4 V.
    8. Verwijder de flexibele PZT monster wanneer de P-E en C-E metingen zijn voltooid.
  2. Thermische stabiliteit
    1. Zet de PZT/mica op het bord van de test van de ferroelektrische test systeem en halfgeleider apparaat analyzer.
    2. Plaatst u een meting sonde op de bovenste Pt-elektrode en de andere meting-sonde op de laag van zilver-SRO.
    3. Open de temperatuur controlesysteem om te Verwarm het monster.
    4. Het gedrag van de P-E en C-E metingen bij verschillende temperaturen (25 ° C, 50 ° C, 75 ° C, 100 ° C, 125 ° C, 150 ° C, 175 ° C).
    5. Uitschakelen van de kachel vergadering nadat de metingen zijn verricht.
  3. Buigende cyclability proeven
    1. Monteer de flexibele PZT/mica in de twee groeven van deze opstelling.
    2. Fix één uiteinde van het monster, terwijl het is gebogen vanaf het andere einde met de hulp van een motor.
    3. Een liniaal gebruiken voor het meten van de lengte van de PZT/mica samen met de richting van de beweging (buigen) van de motor vóór de 8 mm buigen proces (Figuur 5).
    4. Berekenen van de lengte C van de beweging om te buigen van het monster 5 mm volgens de formule: C=L-2Rsin(L/2R), waar L is de lengte van PZT/mica in unbent staat, R is de buigende kromtestralen en C is de lengte van de beweging van de motor.
    5. Stel aantal cycli (1000) buigen in de computer (Figuur 6).
    6. Klik op de Start-knop (Figuur 6) om te starten van het heen en weer motor beweging.
    7. Verwijder het monster en meten van de P-E om te controleren of de ferroelektrische eigenschappen blijven behouden.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

De epitaxiale PZT/SRO/CFO/mica dunne films werden neergelegd bij de gepulste laser deposition techniek, zoals beschreven in stap 1. Figuur 1 toont de groei regeling en Figuur 2 toont een werkelijke flexibele NVM element op basis van de PZT.

Mechanische stabiliteit is een cruciaal aspect van de toepassing van de flexibele apparaat. De macroscopische ferroelektris...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

De belangrijkste stap in de fabricage van ferroelektrische elementen ligt in het gebruik van een oppervlak schoon en zelfs/vlakke ondergrond. Hoewel vers gekloofd mica oppervlak is beide glad, er moet aandacht besteden aan de oppervlakken voorkomen lijden zichtbaar versplintering, lagen, scheuren, insluitsels, etc. na afzetting van de PZT laag splitsen, het monster werd gekoeld onder een hoge zuurstof druk (200-500 Torr) om de zuurstof vacatures. Ex situ top platina elektroden werden gestort via een voo...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen openbaar te maken.

Dankbetuigingen

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

Dit werk werd gesteund door de National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11402221 en 11502224), de Braziliaanse sleutel laboratorium van Intense Pulsed straling simulatie en effect (SKLIPR1513) en de Hunan provinciale sleutel onderzoek en ontwikkelingsplan (nr. 2016 WK 2014).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Equipment
hot platePolishP-20
PLD systemPVD productsPLD 5000
Ferroelectric test system Radiant Technologies Precisions workstations RT66A
Semiconductor device analyzer Agilent B1500A
Bending moldshome-madeMachined teflon material
Bending stagehome-builtLabview interfaced setup which provides a precise displacement as small as 1 micrometer
Sputtering systemBeijing ElaborateETD-3000
Materials
mica(001) sheetsNilaco corporation 990066
conductive silver paintTed Pella, INCNo.16033
CoFe2O4 targetKurt J.Lesker
SrRuO3 targetKurt J.Lesker
PbZr0.2Ti0.8O3 targetKurt J.Lesker
Pt targetHefei Ke jing

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

PZT dunne filmPLD depositieferro elektrische karakteriseringbuigproefthermische stabiliteitelektrische geleidbaarheidplatina elektrodenmica substraat

Gerelateerde artikelen