Методическая статья

Изготовление и метод измерения для элемента гибкого сегнетоэлектриков, основанный на Heteroepitaxy ван-дер-Ваальса

DOI:

10.3791/57221

⸱

8 апреля 2018 г.

 ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

В этой статье мы представляем протокол непосредственно расти эпитаксиальных еще гибкий вывод циркония титаната памяти элемент на Слюда мусковит.

Аннотация

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

Гибкой энергонезависимой памяти получили много внимания, как они применимы для портативных интеллектуальных электронных устройств в будущем, опираясь на хранения высокой плотности данных и низкое энергопотребление возможностей. Однако оксид высокого качества на базе энергонезависимой памяти на гибких подложках часто сдерживается характеристики материала и процесс изготовления неизбежно высокой температуры. В этом документе протокол предлагается непосредственно расти эпитаксиальных еще гибкий свинца циркония титаната памяти элемент на Слюда мусковит. Метод универсальным осаждения техники и измерения позволяют изготовление гибкое и монокристаллического энергонезависимой памяти элементы, необходимые для следующего поколения интеллектуальных устройств.

Введение

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

Успешное изготовление элементов гибкой энергонезависимой памяти (NVME) играет ключевую роль в деле использования в полной мере потенциал Гибкая электроника. NVME должны имеют легкий вес, низкая стоимость, низкая мощность потребления, быстрая скорость и хранения высокой плотности возможности помимо хранения данных, обработки информации и коммуникации. Перовскита Pb (Zr, Ti) O3 (PZT) действует как популярная система для таких приложений, учитывая его большой поляризации, быстрой поляризации, переключение, высокая температура Кюри, низкой коэрцитивной и высокий коэффициент пьезоэлектрический. В сегнетоэлектрических энергонезависимой памяти внешнее напряжение импульса может переключаться два остаток поляризации между двух стабильных направлений, представленных '0' и '1'. Он является энергонезависимой, и процесс чтения/записи может быть завершен в течение наносекунд. NVME на основе органических1,2,3,4,5,6 и неорганических7,8,9,10 ,11,12,13,,1415 сегнетоэлектрические материалы предпринимались на гибких подложках. Однако такая интеграция ограничивается не только субстратов неспособность высокой температуры роста, но также производительность деградировавших устройства, утечки тока и электрического замыкания из-за их шероховатой поверхности. Несмотря на многообещающие результаты, альтернативные стратегии, как истончение субстрата8 и передачи эпитаксиального слоя гибкой подложке15 страдают от ограниченного жизнеспособности учитывая сложный многоэтапный процесс, непредсказуемость передачи, и ограниченную применимость.

По вышеупомянутым причинам важно изучить соответствующие субстрата, которая сможет преодолеть ограниченное тепловой и оперативной графену мягкие субстраты для дальнейшего продвижения Гибкая электроника. Естественный мусковита Слюда (KAl2(АЛСИ3O10) (OH)2) субстрат с уникальными функциями, как атомарным образом гладкой поверхности, высокая термическая стабильность, химическая инертность, высокую прозрачность, механические гибкость, и совместимость с текущими методами изготовления может использоваться для эффективного решения этих вопросов. Более того двумерных слоистую структуру моноклинная слюды поддерживает ван-дер-Ваальса Эпитаксия, который смягчает решетки и соответствующие условия, тем самым значительно подавления субстрата, зажимные эффект тепловой. Эти преимущества были использованы в прямой рост функциональных оксидов16,,1718,19,20,21,22, 23 на Москвич недавно, с учетом применения гибких устройств.

Здесь мы описываем протокол непосредственно расти эпитаксиальных еще гибкий вывод циркония Титанат свинца (PZT) тонких пленок на Слюда мусковит. Это достигается посредством импульсного лазерного процесса осаждения, полагаясь на универсальные свойства слюды, что приводит к heteroepitaxy ван-дер-Ваальса. Такие структуры, сфабрикованные сохраняют все свойства Улучшенный эпитаксиальных PZT на жесткую один кристаллических подложках и экспонаты отличные тепловые и механические графену. Этот простой и надежный подход обеспечивает технологическое преимущество над многоступенчатое передача и субстрат, истончение стратегии и способствует развитию долгожданного гибкое и монокристаллического энергонезависимой памяти элементов, необходимых для смарт-устройства следующего поколения с высокой производительностью.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Изготовление гибких PZT тонких пленок

  1. Вырежьте 1 см x 1 см подложки слюды из слюды листа с ножницами.
  2. Исправьте этот субстрат слюда 1 см x 1 см на столе с помощью двухсторонней ленты.
  3. Используйте щипчики для пил офф слюды-по слоя до требуемой толщины (50 мкм), измеряется микрометром.
  4. Вставить это свежезаваренным расщепляется слюдяные подложки на субстрат держатель 5'' с помощью тонким слоем серебряной краски и вылечить его на 120 ° C на горячей плите за 10 минут, чтобы прочно закрепить слюда на подложке.
  5. Закрепи PLD (пульсирующий лазер осаждения) субстрата в камеру PLD.
  6. Выберите частота повторения (например, 10 Гц) и лазерной энергии (например, 300 МДЖ).
  7. Перевести в набора положение фокусировки объектива.
  8. Откройте затвор и депозит 5 Нм журнальные2O4 (CFO) [лазерную энергию: 300 МДж, давление кислорода: 50 mTorr, температура образца: 590 ° C, осаждения время: 5 мин] тонкая пленка как Буферный слой, вызывая лазер (рис. 1).
  9. Депозит 20-80 Нм SrRuO3 (СРО) [лазерную энергию: 300 МДж, давление кислорода: 100 mTorr, температура образца: 680 ° C, осаждения время: 10-30 мин] на Буферный слой CFO как нижней электрода для последующих электрические эксплуатационные испытания, вызывая (лазер Рисунок 1).
  10. Депозит в 150 Нм PZT [лазерную энергию: 300 МДж, давление кислорода: 100 mTorr, температура образца: 650 ° C, осаждения время: 60 мин] тонкая пленка на вершине электрода нижней СРО, вызывая лазер (рис. 1).
  11. Вентиляционные камеры, используя N2 и удалить образец PZT/слюды (рис. 2), когда температура достигнет комнатной температуры.
  12. Поместите образец на кусок стекла.
  13. Поместите сетку макета диаметром 200 мкм поверх образца. Исправьте сетки хорошо и поставить сетки образец в камеру напыления.
  14. Использование DC распыления (10 мА, 8 мбар, 6 мин) для депозита Pt Топ электродов на фильм. Удаление образца после распыления.
  15. Используйте нож или 20% кислоты HF для удаления раздела PZT 1 мм x 1 мм. Это должно раскрыть нижней СРО электрода и формируют много небольших гибких сегнетоэлектриков конденсаторы.
    Примечание: Растут СРО как нижней электрода и затем внесите Pt поверх электродов на фильмы DC напыление для формирования многих небольших конденсаторы для измерения электронных свойств тонкопленочных PZT, который показан на рисунке 3.
  16. Краска пальто проводящих серебра на подвергается СРО для увеличения электропроводности нижней СРО электрода. Убедитесь, что проводящая Серебряная можно связаться подвергаются саморегулируемой организации.

2. сегнетоэлектрическая характеристика

  1. Тест на изгиб
    1. На задней гибкими образца клей кусок бумаги с одинаковым размером как образец для легкой передачи образца от одной стадии к другой.
    2. Место PZT/слюда на доске тест анализатора сегнетоэлектриков тестовой системы и полупроводниковые устройства.
    3. Поставьте один измерительный датчик анализатора сегнетоэлектриков тестовой системы и полупроводниковые устройства на верхнем электроде Pt и поставить другие измерения зонда на серебро СРО слоя, чтобы получить петли гистерезиса поляризации электрическое поле (P-E) и Емкость электрическое поле (C-E) кривых, в то время как образец отогнутый.
      1. Измерить петли гистерезиса P-E с двух зондов с частотой 2 кГц и 4 кривых V. мера C-E с двумя зонды с частотой 1 МГц и 4 V. удалить отогнутый образца.
    4. Обеспечение гибких тонкопленочных PZT/слюда на желаемой формы, с помощью двухсторонней ленты. Позаботьтесь, чтобы избежать скольжения/скольжение слюды во время измерения.
    5. Смонтируйте его на доске тест анализатора сегнетоэлектриков тестовой системы и полупроводниковые устройства.
    6. Положите один зонд на верхнем электроде Pt, в то время как другие зонд коснется нижней СРО электрод через серебро покрытием аналогичной конфигурации, используемых ранее (шаг 2.1.3).
    7. Измерьте петель гистерезиса P-E и C-E кривых под различными растяжение и сжатие, изгиб радиуса (рис. 4).
      1. Измерьте петли гистерезиса P-E с двумя зондами на частоте 2 кГц и 4 кривых V. мера C-E с двух зондов с частотой 1 МГц и 4 V.
    8. Удаление гибкий PZT образца после завершения измерения P-E и C-E.
  2. Термическая стабильность
    1. Положите PZT/слюда на доске тест анализатора сегнетоэлектриков тестовой системы и полупроводниковые устройства.
    2. Положите один измерительный датчик на верхнем электроде Pt и положил другие измерения зонда на слой серебра СРО.
    3. Откройте система контроля температуры для нагрева образца.
    4. Проводить P-E и C-E измерений при различных температурах (25 ° C, 50 ° C, 75 ° C, 100 ° C, 125 ° C, 150 ° C, 175 ° C).
    5. Выключите подогреватель Ассамблеи после измерения.
  3. Изгиб cyclability тесты
    1. Смонтируйте гибкий PZT/слюда в две канавки этой установки.
    2. Прикрепите один конец образца пока он изгибается от другой конец с помощью мотора.
    3. Использование линейки для измерения длины PZT/слюда наряду с направление движения (изгиб) двигателя до 8 мм, изгиб процесса (рис. 5).
    4. Рассчитать длину движение C согнуть в примере 5 мм по формуле: C=L-2Rsin(L/2R), где L — длина PZT/слюда отогнутый штата, R радиусы изгиба, и C-длина движения двигателя.
    5. Задать количество изгиб циклов (1000) на компьютере (Рисунок 6).
    6. Нажмите кнопку Пуск (Рисунок 6), чтобы начать движение вперед и мотор.
    7. Удаление образца и измерять P-E, чтобы проверить, является ли сегнетоэлектрические свойства сохраняются.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

С техникой осаждения импульсных лазерных эпитаксиальных пленок PZT/СРО/финансовый директор/слюда были сданы на хранение, как указано в шаге 1. На рисунке 1 показана схема роста и на рисунке 2 показан фактический гибкие NVM элемент, основанный на PZT.

Механическая стабильность является важнейшим аспектом применения гибкие устройства. Макроскопические сегнетоэлект...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Ключевым шагом в изготовление сегнетоэлектриков элементов заключается в использовании поверхность чистой и даже квартиры субстрата. Хотя свежие рассеченного слюда поверхность является атомарным образом гладкой, необходимо обратить внимание для предотвращения поверхностей от страданий, видимые расщеплять, разделите слои, включений, трещин, и т.д. после осаждения PZT слоя, образец охлаждался под давление высокое кислорода (200-500 торр) для сокращения кислородная вакансий. Ex situ Топ платиновые электроды...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы имеют не конкурирующих финансовых интересов раскрыть.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана Национальный фонд естественных наук Китая (Грант № 11402221 и 11502224), моделирование государства ключ Лаборатория из интенсивного импульсного излучения и эффект (SKLIPR1513) и Хунань провинциальных ключ научно план развития (No. 2016 WK 2014).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
<сильно>Оборудование
горячая плитаПольскаяPLD P-20
PVD изделияPLD 5000
Сегнетоэлектрическая испытательная система Рабочие станции Radiant Technologies Precision RT66A
Анализатор полупроводниковых приборов Agilent B1500A
Гибочные формыдомашнего производстваОбработанный тефлоновый материал
Гибочный столикДомашняяLabview интерфейсная установка, которая обеспечивает точное смещение размером до 1 микрометра
Система распыленияПекин  ПроработанныеETD-3000
Materials
mica(001) корпорацииNilaco 
проводящая серебряная краскаТед Пелла, INCNo.16033
CoFe2O4 цельKurt J.Lesker
SrRuO3 цельKurt J.Lesker
PbZr0.2Ti0.8O3 Kurt J.Lesker
Pt мишеньХэфэй Кэ цзин
система листы 990066target

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи