Pamięć tlenkowa zmiany rezystancji jest coraz częściej używana jako element składowy nowych architektur pamięci i logiki, ze względu na ich kompatybilną szybkość przełączania, mniejszą strukturę komórkową i możliwość projektowania w trójwymiarowych (3D) układach krzyżowych o dużej pojemności1. Do tej pory zgłoszono wiele typów przełączania dla rezystancyjnych urządzeń przełączających2,3. Typowe zachowania przełączania tlenków metali to jednobiegunowe, bipolarne, komplementarne przełączanie rezystancyjne i przełączanie progów lotnych. Dodając do złożoności, zgłoszono, że pojedyncza komórka również wykazuje wielofunkcyjną wydajność przełączania rezystancyjnego4,5,6.
Ta zmienność oznacza, że potrzebne są badania nanostrukturalne, aby zrozumieć pochodzenie różnych zachowań pamięciowych i odpowiadających im mechanizmów przełączania, aby rozwinąć jasno zdefiniowane przełączanie zależne od warunków dla praktycznej użyteczności. Powszechnie stosowanymi technikami pozwalającymi zrozumieć mechanizmy przełączania są: profilowanie głębokości za pomocą rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS)7,8, nanoskalowa spektroskopia mas jonów wtórnych (nano-SIMS)6, nieniszcząca spektroskopia fotoluminescencyjna (PL)8, charakterystyka elektryczna różnych rozmiarów i grubości funkcjonalnych tlenków urządzeń, nanoindentation7, transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM), spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii (EDX) i spektroskopia strat energii elektronów (EELS) na blaszkach przekroju poprzecznego w komorze TEM6,8. Wszystkie powyższe techniki dostarczyły zadowalających informacji na temat mechanizmów przełączania. Jednak w większości technik do analizy wymagana jest więcej niż jedna próbka, w tym urządzenia nieskazitelne, elektroformowane, ustawiane i resetujące, aby zrozumieć pełne zachowanie przełączania. Zwiększa to złożoność eksperymentu i jest czasochłonne. Dodatkowo wskaźniki awaryjności są wysokie, ponieważ zlokalizowanie filamentu w subnanoskali w urządzeniu o wielkości kilku mikronów jest trudne. Dlatego eksperymenty in situ są ważne w charakterystyce nanostrukturalnej dla zrozumienia mechanizmów działania, ponieważ dostarczają dowodów w eksperymentach w czasie rzeczywistym.
Prezentowany jest protokół do prowadzenia in situ TEM z polaryzacją elektryczną dla stosów metal-izolator-metal (MIM) asymetrycznych rezystancyjnych urządzeń przełączających krzyżowych. Głównym celem tego protokołu jest zapewnienie szczegółowej metodologii przygotowania lameli przy użyciu skupionej wiązki jonów (FIB) i eksperymentalnej konfiguracji in situ do TEM i polaryzacji elektrycznej. Proces ten został wyjaśniony za pomocą reprezentatywnego badania asymetrycznych urządzeń krzyżowych opartych na amorficznym tlenku wanadu z fazami mieszanymi (a-VO x)4. Przedstawiono również proces wytwarzania urządzeń krzyżowych zawierających a-VOx, które można łatwo skalować do poprzeczek, przy użyciu standardowych procesów wytwarzania mikro-nano. Ten proces wytwarzania jest ważny, ponieważ zawiera w poprzeczkach a-VO x, które rozpuszczają się w wodzie.
Zaletą tego protokołu jest to, że przy użyciu tylko jednej blaszki, zmiany nanostrukturalne mogą być obserwowane w TEM, w przeciwieństwie do innych technik, gdzie wymagane są minimum trzy urządzenia lub lamele. To znacznie upraszcza proces i skraca czas, koszty i wysiłek, zapewniając jednocześnie wiarygodne dowody wizualne zmian nanostrukturalnych w operacjach w czasie rzeczywistym. Ponadto został zaprojektowany z wykorzystaniem standardowych procesów wytwarzania mikro-nano, technik mikroskopowych i instrumentów w innowacyjny sposób, aby ustalić jego nowatorstwo i wypełnić luki badawcze.
W opisanym tutaj reprezentatywnym badaniu dla urządzeń krzyżowych opartych na x-punktach a-VO, protokół TEM in situ pomaga zrozumieć mechanizm przełączania za przełączaniem progów apolarnych i zmiennych4. Proces i metodologia opracowane do obserwacji zmian nanostrukturalnych w a-VOx podczas polaryzacji in situ można łatwo rozszerzyć na temperaturę in situ oraz temperaturę in situ i polaryzację jednocześnie, po prostu zastępując chip montażowy lameli oraz na dowolny inny materiał, w tym dwie lub więcej warstw materiału funkcjonalnego w strukturze warstwowej metal-izolator-metal. Pomaga ujawnić podstawowy mechanizm działania i wyjaśnić charakterystykę elektryczną lub termiczną.