Artigo de método

Um método de medição para um elemento ferroelétrica flexível baseado em Heteroepitaxy de Van Der Waals e fabricação

DOI:

10.3791/57221

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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

Neste artigo

Resumo

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Neste trabalho, apresentamos um protocolo diretamente crescer um epitaxial ainda elemento de memória de titanato de zircônio chumbo flexível na mica moscovita.

Resumo

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Flexíveis não-volátil memórias têm recebido muita atenção como eles são aplicáveis para portátil dispositivo eletrônico inteligente no futuro, contando com recursos de baixa potência consumo e armazenamento de dados de alta densidade. No entanto, a memória não-volátil de óxido de alta qualidade com base em substratos flexíveis frequentemente é limitada pelas características da materiais e o processo de fabricação de alta temperatura inevitável. Neste trabalho, propõe-se um protocolo diretamente crescimento epitaxial ainda flexível chumbo zircónio titanato memória elemento na mica moscovita. O método de técnica e medição de deposição versáteis permitem a fabricação de elementos de memória não-volátil de flexível ainda single-cristalino necessárias para a próxima geração de dispositivos inteligentes.

Introdução

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A sucesso fabricação de elementos de memória não-volátil flexível (NVME) desempenha um papel fundamental em explorar todo o potencial da eletrônica flexível. NVME serão dispõem de pouco peso, consumo de baixo custo, baixa potência, velocidade e capacidades de armazenamento de alta densidade além de armazenamento de dados, processamento de informação e comunicação. Perovskita Pb (Zr, Ti) O3 (PZT) atua como um sistema popular para tais aplicações, considerando sua grande polarização, polarização rápida comutação, alta temperatura de Curie, coerciva de baixa e Alto coeficiente piezoelétrico. Memória não-volátil ferroelétricos, um pulso de tensão externa pode alternar as polarizações de dois remanescentes entre duas direções estáveis, representadas por '0' e '1'. É não-volátil, e o processo de leitura/gravação pode ser concluído dentro de nanossegundos. NVME baseado no orgânico1,2,3,4,5,6 e inorgânicos7,8,9,10 ,11,12,13,14,15 materiais ferroelétricos têm sido tentadas em substratos flexíveis. No entanto, tal integração é limitada por não somente dos substratos incapacidade de crescimento de alta temperatura, mas também o desempenho do dispositivo degradadas, correntes de fuga e curto-circuito elétrico devido a sua superfície mais áspera. Apesar de resultados promissores, alternam estratégias como o afinamento do substrato8 e a transferência de camada epitaxial sobre um substrato flexível15 sofrer viabilidade restrita, tendo em conta o sofisticado processo de várias etapas, a imprevisibilidade de transferência e a aplicabilidade limitada.

Pelas razões acima mencionadas, é fundamental para explorar um substrato adequado que é capaz de superar o limitado estabilidades térmicas e operacionais de substratos moles para avançar ainda mais eletrônica flexível. Uma mica moscovita natural (KAl2(10de AlSi3O) (OH)2) substrato com características únicas como atomicamente suavizar superfícies, alta estabilidade térmica, inércia química, alta transparência, flexibilidade mecânica, e compatibilidade com os métodos de fabricação atual pode ser usada para efetivamente lidar com estas questões. Mais ainda, a estrutura em camadas bidimensional de mica monoclínico suporta Epitaxia de van der Waals, que atenua a treliça e térmico correspondentes condições, suprimindo assim significativamente o substrato efeito de aperto. Estas vantagens foram exploradas no crescimento direto de óxidos funcional16,17,18,19,20,21,22, 23 na moscovita recentemente, tendo em conta os aplicativos de dispositivo flexível.

Aqui, descrevemos um protocolo para crescer diretamente filmes finos da epitaxial chumbo ainda flexível zircónio titanato (PZT) na mica moscovita. Isto é conseguido através de um processo de deposição de laser pulsado baseando-se nas propriedades versátil de mica, resultando em heteroepitaxy de van der Waals. Tais estruturas fabricadas reter todas as propriedades superiores de PZT epitaxial em substratos cristalinos único rígidos e apresenta excelente estabilidade térmica e mecânica. Esta abordagem simples e confiável fornece uma vantagem tecnológica sobre a transferência de várias etapas e estratégias de desbaste de substrato e facilita o desenvolvimento de elementos tão aguardado single-cristalino ainda flexível memória não-volátil pré-requisito para próxima geração dispositivos inteligentes com alto desempenho.

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Protocolo

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1. fabricação de filmes finos de PZT flexível

  1. Corte um substrato de mica de 1 x 1 cm de uma folha de mica com uma tesoura.
  2. Consertar este substrato de mica de 1 x 1 cm sobre uma mesa usando fita dupla-face.
  3. Use uma pinça para peel-off a mica camada por camada até a espessura desejada (50 µm), medida com um micrômetro.
  4. Cole-o na hora clivada substrato mica sobre um suporte de substrato 5 ' usando uma fina camada de tinta prateada e curá-la a 120 ° C, em uma chapa quente durante 10 minutos para apor mica em substrato com firmeza.
  5. Colocar o suporte de substrato PLD (deposição de Laser pulsado) na câmara de PLD.
  6. Selecione a taxa de repetição (por exemplo, 10 Hz) e energia (por exemplo, 300 mJ) a laser.
  7. Mova a lente de focalização para a posição definida.
  8. Abrir o obturador e depositar um 5 nm CoFe2O4 (CFO) [Laser energia: 300 mJ, pressão do oxigênio: 50 mTorr, temperatura da amostra: 590 ° C, tempo de deposição: 5min] a película fina como uma camada de buffer por disparo do laser (Figura 1).
  9. Depositar uma 20-80 nm SrRuO3 (SRO) [Laser energia: 300 mJ, pressão do oxigênio: 100 mTorr, temperatura da amostra: 680 ° C, tempo de deposição: 10-30 min] sobre a camada de buffer CFO como o eletrodo inferior para testes elétricos subsequentes provocando o laser ( A Figura 1).
  10. Depósito de 150 nm PZT [Laser energia: 300 mJ, pressão do oxigênio: 100 mTorr, temperatura da amostra: 650 ° C, tempo de deposição: 60 min] fino filme no topo do eletrodo inferior de SRO por disparo do laser (Figura 1).
  11. Ventilar a câmara usando N2 e retire a amostra PZT/mica (Figura 2) quando a temperatura atinge a temperatura ambiente.
  12. Colocar a amostra em um pedaço de vidro.
  13. Coloca uma malha preconcebida com 200 µm de diâmetro na parte superior da amostra. Corrigir a malha bem e colocar a malha-amostra na câmara de sputtering.
  14. Use o DC que sputtering (10 mA, 8 mbar, 6 min) para depositar Pt top eletrodos sobre o filme. Retire a amostra após a pulverização catódica.
  15. Use uma faca ou 20% ácido de HF para remover uma seção PZT 1 x 1 mm. Isto é descobrir o eléctrodo de SRO inferior e formar muitos pequenos flexíveis capacitores ferroelétricos.
    Nota: Crescer SRO como o eletrodo de fundo e em seguida depositar Pt no topo os eléctrodos nas películas por pulverização catódica para formar muitos capacitores de pequenas de DC para medir as propriedades eletrônicas do filme fino PZT, mostrada na Figura 3.
  16. Pinte uma camada de prata condutor sobre o SRO exposta para aumentar a condutividade elétrica do eletrodo inferior SRO. Certifique-se de que a prata condutora pode contactar o SRO exposta.

2. ferroelétrica caracterização

  1. Ensaio de flexão
    1. Na parte de trás da amostra flexível, Cole um pedaço de papel com o mesmo tamanho que a amostra para fácil transferência da amostra de uma fase para outra.
    2. Coloque o PZT/mica sobre a placa de teste do analisador de dispositivo de sistema e semicondutores ferroelétricos teste.
    3. Colocar uma sonda de medição do analisador de dispositivo de sistema e semicondutores ferroelétricos teste sobre o eletrodo de topo Pt e colocar outra sonda de medição sobre a camada de prata-SRO para obter os campo de polarização-elétrico (P-E) laços de histerese e curvas de capacitância elétrica campo (C-E), enquanto a amostra está unbent.
      1. Medir os laços de histerese P-E com as duas sondas em uma frequência de 2 kHz e em 4 curvas V. medida o C-E com as duas sondas em uma frequência de 1 MHz e 4 V. remover a amostra unbent.
    4. Fixe a flexível PZT/mica fina película sobre o molde desejado usando fita dupla-face. Tome cuidado para evitar o escorregamento/planando de mica durante a medição.
    5. Montá-lo no Conselho do analisador de dispositivo de sistema e semicondutores ferroelétricos teste teste.
    6. Coloque uma sonda do eletrodo de topo Pt enquanto a outra sonda toca o eletrodo de SRO inferior através da prata revestimento semelhante à configuração usada anteriormente (etapa 2.1.3).
    7. Medir o P-E histerese loops e curvas de C-E sob vários elástica e compressiva dobra raios (Figura 4).
      1. Medir os laços de histerese P-E com as duas sondas em uma frequência de 2 kHz e 4 curvas de medida V. o C-E com as duas sondas em uma frequência de 1 MHz e 4 V.
    8. Retire a amostra PZT flexível quando completam-se as medições P-E e C-E.
  2. Estabilidade térmica
    1. Colocar o PZT/mica na placa teste do analisador de dispositivo de sistema e semicondutores ferroelétricos teste.
    2. Coloque uma sonda de medição sobre o eletrodo superior do Pt e outra sonda de medição sobre a camada de prata-SRO.
    3. Abra o sistema de controle de temperatura para aquecer a amostra.
    4. Realizar as medições P-E e C-E a diferentes temperaturas (25 ° C, 50 ° C, 75 ° C, 100 ° C, 125 ° C, 150 ° C, 175 ° C).
    5. Desligue o conjunto aquecedor após as medições são feitas.
  3. Flexão de cyclability de testes
    1. Monte o PZT flexível/mica nas duas ranhuras desta configuração.
    2. Fixe uma extremidade da amostra enquanto está dobrada da outra extremidade com o auxílio de um motor.
    3. Use uma régua para medir o comprimento PZT/mica juntamente com a direção do movimento (dobra) do motor antes da 8 mm, dobra o processo (Figura 5).
    4. Calcule o comprimento de movimento C para dobrar a amostra de 5 mm de acordo com a fórmula: C=L-2Rsin(L/2R), onde L é o comprimento de PZT/mica no estado unbent, R é os raios de curvatura, e C é o comprimento do movimento do motor.
    5. Definir o número de ciclos (1000) de flexão no computador (Figura 6).
    6. Clique no botão Iniciar (Figura 6) para iniciar o movimento motor e para trás.
    7. Retirar a amostra e medir o P-E para verificar se as propriedades ferroelétricos são retidas.

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Resultados

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Os filmes finos de PZT/SRO/CFO/mica epitaxiais foram depositados com a técnica de deposição de laser pulsado, conforme descrito na etapa 1. A Figura 1 mostra o esquema de crescimento e a Figura 2 mostra um elemento real de NVM flexível baseado no PZT.

Estabilidade mecânica é um aspecto crucial do aplicativo de dispositivo flexível. O desempenho ferroelétrica mac...

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Discussão

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A etapa chave na fabricação de elementos condutores reside na utilização de uma superfície limpa e até mesmo/plano de substrato. Apesar de superfície de mica clivada recém atomicamente liso, é necessário prestar atenção ao impedindo que superfícies sofrem fragmentação visível, dividir camadas, inclusões, fissuras, etc após a deposição da camada de PZT, a amostra foi esfriada sob uma pressão de oxigênio alta (200-500 Torr) para reduzir as vagas de oxigênio. Ex situ eléctrodos de platina superiores foram ...

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Divulgações

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Os autores têm sem interesses financeiros concorrentes para divulgar.

Agradecimentos

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Este trabalho foi financiado pela Fundação Nacional de ciências naturais da China (n. Grant 11402221 e 11502224), a simulação de estado chave laboratório de intensa pulsada radiação e efeito (SKLIPR1513) e Hunan Provincial chave pesquisa e plano de desenvolvimento (n. º 2016 WK 2014).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Equipamento
placa quentePolonesaP-20
Sistema PLDPVD produtos PLD5000
Sistema de teste ferroelétrico Estações de trabalho Radiant Technologies PrecisionsRT66A
 A Agilent B1500A
Moldes de dobra caseirosMaterial de teflon usinado
Estágio de dobraconfiguração de interface Labview construídaem casa que fornece um deslocamento de precisão tão pequeno quanto 1 micrômetro
Sistema de pulverização catódicaBeijing  Elaboradasfolhas ETD-3000
Materials
mica(001)Nilaco corporation 
tinta prateada condutoraTed Pella, INCNo.16033
CoFe2O4 alvoKurt J.Lesker
SrRuO3 alvoKurt J.Lesker
PbZr0.2Ti0.8O3 alvoKurt J.Lesker
Pt alvoHefei Ke jing
Analisador de dispositivo semicondutor 990066

Referências

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  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).

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