Summary
I dette papiret presenterer vi en protokoll direkte vokse en epitaxial ennå fleksibel bly zirkonium titanate minne element på muscovite glimmer.
Abstract
Fleksibel permanent minner har fått mye oppmerksomhet som de er anvendelig for Transportabel smart elektronisk enhet i fremtiden, stole på høy tetthet datalagring og lavt strømforbruk evner. Men er høy kvalitet oksid basert nonvolatile minnet på fleksible underlag ofte begrenset av beskaffenhet og uunngåelig høy temperatur fabrikasjon prosessen. I denne utredningen foreslås en protokoll direkte vokse et epitaxial ennå fleksibel bly zirkonium titanate minne element på muscovite glimmer. Allsidig deponering teknikk og måling metoden aktiverer fabrikasjon av fleksibel, men likevel én-krystallinske ikke-flyktig minne elementer nødvendig for neste generasjon av smarte enheter.
Introduction
Vellykket fabrikasjon av fleksible nonvolatile minne elementer (NVME) spiller en nøkkelrolle i å utnytte det fulle potensialet av fleksible elektronikk. NVME skal funksjonen lett, lav pris, lav-makt fortæringen, rask hastighet og høy lagringskapasitet tetthet foruten datalagring, informasjonsbehandling og kommunikasjon. Perovskite Pb (Zr, Ti) O3 (PZT) fungerer som et populært system for slike programmer vurderer sin store polarisering, rask polarisering bytte, Curie temperatur, lav tvangsmulkt felt og høy piezoelectric koeffisient. I ferroelectric nonvolatile minner, kan en ekstern spenning puls bytte to rest polarisasjonene mellom to stabil retninger, '0' og '1'. Det er permanent, og skrive/lese prosessen kan fullføres innen nanosekunder. NVME basert på organisk1,,2,,3,,4,,5,,6 og uorganisk7,8,9,10 ,11,12,13,14,15 ferroelectric materialer forsøkt på fleksible underlag. Men er slik integrering begrenset av ikke bare substrater manglende evne til høy temperatur vekst, men også dårligere enheten ytelsen, strøm lekkasje og elektriske shorting på grunn av deres grovere overflater. Til tross for lovende resultater, alternative strategier som fortynning av underlaget8 og epitaxial lag overføringen på en fleksibel substrat15 lide begrenset levedyktighet i lys av sofistikert må prosessen, den uforutsigbarheten av overføring og begrenset anvendbarhet.
For grunnene er det avgjørende å utforske en passende substrat som kan overvinne begrenset termisk og operative stabilitet av mykt underlag å fremme mer fleksibel elektronikk. En naturlig muscovite glimmer (KAl2(AlSi3O10) (OH)2) underlaget med unike funksjoner som atomically glatte overflater, høy temperaturstabilitet, kjemiske inertness, high åpenhet, mekanisk fleksibilitet, og kompatibilitet med gjeldende fabrikasjon metoder kan brukes til å effektivt håndtere disse problemene. Mer så, todimensjonal lagdelt oppbygning monoclinic glimmer støtter van der Waals epitaxy, noe som begrenser gitter og termiske matchende forhold, og dermed betydelig undertrykke underlaget clamping effekt. Disse fordelene har vært utnyttet i direkte veksten av funksjonelle oksider16,17,18,19,20,21,22, 23 på muscovite nylig, i lys av fleksibel enhet søknader.
Her beskriver vi en protokoll for direkte vokse epitaxial men ledelsen zirkonium titanate (PZT) tynne filmer på muscovite glimmer. Dette oppnås gjennom en pulsed laser deponering stole på allsidige egenskapene til glimmer, noe som resulterer i van der Waals heteroepitaxy. Fabrikkert strukturer beholde alle overlegen egenskapene til epitaxial PZT på stive enkelt krystallinsk underlag og utstillinger utmerket termisk og mekanisk stabilitet. Denne enkel og pålitelig tilnærmingen gir en teknologisk fordel over må-overføring og underlaget tynning strategier og forenkler utviklingen av mye ventet fleksibel, men likevel én-krystallinske ikke-flyktig minne elementer forutsetning for neste generasjons smarte enheter med høy ytelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. fabrikere fleksibel PZT tynne filmer
- Klippe en 1 cm x 1 cm glimmer substrat fra et glimmer ark med saks.
- Fastsette denne 1 cm x 1 cm glimmer substrat på et skrivebord med dobbeltsidig tape.
- Bruke pinsett for å peel-off den glimmer lag-på-lag til ønsket tykkelse (50 µm), målt med et mikrometer.
- Lim denne ferske kløyvde glimmer substrat på en 5'' underlaget med et tynt lag av sølv maling og kurere det på 120 ° C på en kokeplate minutter feste glimmer på substrat fast.
- Sette PLD (Pulsed Laser deponering) substrat holderen inn i PLD kammeret.
- Velg gjentakelseshastigheten (f.eks, 10 Hz) og laser energi (f.eks, 300 mJ).
- Flytte fokus linsen i satt stilling.
- Åpne skodde og sette en 5 nm CoFe2O4 (CFO) [Laser energi: 300 mJ, oksygen Press: 50 mTorr, eksempel temperatur: 590 ° C, deponering tid: 5 min] tynn film som et buffer-lag ved å utløse laser (figur 1).
- Sette inn en 20-80 nm SrRuO3 (SRO) [Laser energi: 300 mJ, oksygen Press: 100 mTorr, eksempel temperatur: 680 ° C, deponering tid: 10-30 min] på CFO buffer laget som bunnen elektroden for påfølgende elektriske ytelsestester ved å utløse laser ( Figur 1).
- Innskudd en 150 nm PZT [Laser energi: 300 mJ, oksygen Press: 100 mTorr, eksempel temperatur: 650 ° C, tid deponering: 60 min] tynn film på SRO bunnen elektrode ved å utløse laser (figur 1).
- Vent kammeret bruker N2 og fjerne PZT/glimmer prøven (figur 2) når temperaturen når romtemperatur.
- La prøven på et stykke glass.
- Sette en forhåndsutformet mesh med 200 µm diameter på prøven. Løs mesh godt og maske utvalg inn sputtering kammeret.
- Bruk DC sputtering (10 mA 8 mbar, 6 min) innskudd Pt topp elektroder filmen. Fjerne prøven etter den sputtering.
- Bruk en kniv eller 20% HF syre fjerne en 1 x 1 mm PZT delen. Dette er å avdekke bunnen SRO elektroden og danne mange lite fleksibel ferroelectric kondensatorer.
Merk: Vokse SRO som bunnen elektroden, og deretter sette Pt på elektrodene på filmene av DC sputtering for å danne mange små kondensatorer måle egenskapene elektronisk PZT tynnfilm, som vises i Figur 3. - Male et lag med ledende sølv på den synlige SRO øke elektrisk ledningsevne bunnen SRO elektroden. Kontroller at ledende sølv kan kontakte den utsatte SRO.
2. ferroelectric karakteristikk
- Bøye Test
- På baksiden av fleksible prøven, lime papir med samme størrelse som utvalget for enkel overføring av prøven fra ett stadium til et annet.
- Plass PZT/glimmer ombord test av ferroelectric test system og semiconductor enheten analysator.
- Sette en måling sonde av ferroelectric test system og semiconductor enheten analysator på Pt topp elektroden og sette andre mål sonden på sølv-SRO laget å bli ledd av polarisering elektriske feltet (P-E)-hysteresis og kapasitans elektriske feltet (C-E) kurver mens prøven er utbrettet.
- Måle P-E hysteresis looper med to sonder på en 2 kHz frekvens og 4 V. mål C-E kurver med to sonder på en 1 MHz frekvens og 4 V. Fjern utbrettet prøven.
- Sikre den fleksible PZT/glimmer tynn filmen på ønsket mold bruke dobbeltsidig tape. Ta vare for å unngå forsinket/gliding av glimmer under målingen.
- Montere den på test styret av ferroelectric test system og semiconductor enheten analysator.
- Sette en sonde på Pt topp elektroden mens andre sonden berører bunnen SRO elektroden gjennom sølv belegg likt konfigurasjonen brukes tidligere (trinn 2.1.3).
- Mål P-E hysteresis looper og C-E kurver under ulike strekk og kompresjons bøying radier (Figur 4).
- Mål P-E hysteresis looper med to sonder på en 2 kHz hyppigheten og 4 V. mål C-E kurver med to sonder på en 1 MHz frekvens og 4 V.
- Fjerne fleksibel PZT prøven når P-E og C-E målingene er fullført.
- Termisk stabilitet
- Sette PZT/glimmer ombord test av ferroelectric test system og semiconductor enheten analysator.
- Sette en måling sonde på Pt topp elektroden og sette andre mål sonden på sølv-SRO laget.
- Åpne temperatur kontrollsystemet for å varme prøven.
- Gjennomføre P-E og C-E målinger ved forskjellige temperaturer (25 ° C, 50 ° C, 75 ° C, 100 ° C, 125 ° C, 150 ° C, 175 ° C).
- Slå av samlingen varmeapparatet når målingene er ferdig.
- Bøying cyclability tester
- Montere den fleksible PZT/glimmer inn i to sporene med dette oppsettet.
- Fest en ende av prøven mens den er bøyd fra den andre enden ved hjelp av en motor.
- Bruk en linjal til å måle hvor PZT/glimmer sammen med (bøye) bevegelsesretning av motoren før den 8 mm bøying prosessen (figur 5).
- Beregne bevegelsen lengden C å bøye prøven 5 mm formelen: C=L-2Rsin(L/2R), der L er lengden på PZT/glimmer utbrettet tilstanden, R er de bøying radier og C er bevegelse av motoren.
- Angi antall bøying sykluser (1000) i datamaskinen (figur 6).
- Klikk Start-knappen (figur 6) for å starte og tilbake motor bevegelse.
- Fjerne prøven og måle P-E for å kontrollere om egenskapene ferroelectric beholdes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De epitaxial PZT/SRO/CFO/glimmer tynne filmene ble avsatt med pulsed laser deponering teknikk som beskrevet i trinn 1. Figur 1 viser vekst ordningen og figur 2 viser et faktisk fleksibel NVM element basert på PZT.
Mekanisk stabilitet er et viktig aspekt ved fleksibel enhet programmet. Makroskopisk ferroelectric ytelsen til heterostructure mot mekanisk bøye ble evaluert under både strekk og kompresjons bøying. Figur 7a og 7b viser P-E og C-E hysteresis looper av PZT kondensatorer under ulike kompresjons og strekk bøying radier (R). Figur 7 viser konstant Psatt, Pr, Ec og kapasitans verdier i eksperimentell feil under forskjellige kurveradiusen. Tilsvarende nominell belastning verdier anslått av 
der η =t tS, χ = Yf /YS, Yf er Youngs modul av PZT laget og YS er Youngs modul av glimmer er også merket. Disse resultatene tyder på at PZT tynne film kondensatoren opprettholder stabile elektriske egenskaper under mekanisk begrensninger kreves for fleksibel elektronikk enhet søknader, som ble også sjekket med Raman spektroskopi20.
Godt mettet og symmetrisk polarisering elektriske feltet (P-E) hysteresis looper og kapasitans elektriske feltet (C-E) "butterfly" kurvene i heterostructure målt på 1 MHz og temperaturer mellom 25-175 ° C for en ny enhet vises i figur 8a og 8b, henholdsvis. Denne ferroelectric kondensator har konstant metning polarisering (Psatt), en rest polarisering (P-r), en tvangsmulkt feltet (Ec) og kapasitans i et bredt temperaturområde som vist i Figur 8 c. Heterostructure opprettholder også høy retensjon og utholdenhet i romtemperatur og ved 100 ° C20. Disse resultatene antyde at PZT/glimmer heterostructure kan ha potensielle i høy temperatur elektroniske enheter.
En rekke cyclability tester ble utført for å validere PZT/glimmer heterostructures for praktiske anvendelser. Figur 9 viser P-E løkker før og etter 1000 bøying sykluser i begge strekk og kompresjons belastning stater. P-E løkkene på bøying modi fordrevne loddrett bekvemmelighetshensyn. Det er bemerkelsesverdig at heterostructure beholder virkemåten ferroelectric selv etter 1000 bøying sykluser på en kurveradiusen 5 mm uansett bøying belastning.
Figur 1 . Vekst ordningen med en fleksibel minne element på glimmer. Evakuere kammeret til en base Press (~ 10-6 Torr) og heve eksempel temperaturen til 590 ° C. Stille oksygen til 50 mTorr å vokse Finansdirektør. Øke temperaturen til 680 ° C og stille oksygen til 100 mTorr å vokse SRO. Redusere temperaturen til 650 ° C og stille oksygen til 100 mTorr å vokse PZT. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2 . Bilde av et fleksibelt minne element på glimmer. Fleksibel minne elementet kan være bøyde lett. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3 . Skjematisk konfigurasjonen for å måle P-E hysteresis looper og C-E kurve. Kontakt SRO bunnen elektroden bruker en sonde, mens andre sonden kontakter Pt topp elektrodene på filmene måle egenskapene elektronisk PZT tynn film. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4 . Former med ulike fast bøying radier (R). Bøying mold design ble gjort/tegnet med autoCAD og trykt i en 3D-skriver. Disse formene av fast bøying radier (R) induserer de rapporterte kompresjons og strekk bøying stammene (R = ±12.5 mm, ±10.0 mm, ±7.5 mm, ±5.0 mm, ±2.5 mm (negativ) addisjonstegn tilsvarer strekk (kompresjons) belastning at heterostructures gjennomgår når montert på dem). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5 . Bøye scenen for å utføre bøying sykluser test Hvor heterostructure (C) målt ved en regel i utbrettet tilstand. For bøying syklus måling, bruker du en dataassistert hjem bygget bøying oppsett. Bøying scenen består av to armer med grooves å holde tynne ark. En arm er fast mens den andre armen kan flyttes å bøye et tynt ark med en stepper motor tilkobles med datamaskinen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6 . Programmet protokollen til å utføre bøying tester. Bruk en dataassistert hjem bygget bøying oppsett til å kontrollere bevegelsen av motoren. Oppsettet tillater lengden på prøve å bøyes ved å gi forskyvning så små som 1 µm på bøying scenen. Man kan sette bøying radier (se 2.3.4) samt utføre bøying sykluser. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7 . Ferroelectric egenskaper under ulike bending radier. Elektrisk felt avhengighet av (en) polarisering og (b) kapasitans under ulike strekk og kompresjons bøying radier. (c) metning polarisering (Psatt), REST polarisering (P-r), tvangsmulkt feltet (Ec) og kapasitans som funksjon å bøye radius. Tilsvarende belastning verdiene angis også (se tekst). Dette tallet er endret med tillatelse20. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8 . Ferroelectric egenskaper under høy temperatur. Elektrisk felt avhengighet av (en) polarisering og (b) kapasitans ved forskjellige temperaturer. (c) termisk utviklingen av Psatt, Pr, Ec og kapasitans. Dette tallet er endret med tillatelse20. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9 . Ferroelectric egenskaper etter bøying sykluser. P-E hysteresis looper under strekk og kompresjons kurveradiusen 5 mm før og etter 10 til 1000 bøying sykluser. Dette tallet er endret med tillatelse20. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det viktigste trinnet i fabrikasjon av ferroelectric elementer ligger i bruk av en ren og selv/flat substrat overflate. Selv om ferske kløyvde glimmer er atomically glatt, er det nødvendig å ta hensyn til å forebygge overflater fra lidelse synlig fliser, delt lag, sprekker, Inneslutninger, etc. etter avsettelsen av PZT laget, prøven var avkjølt en høy oksygen Press (200-500 Torr) å redusere den oksygen stillinger. Ex situ topp platina elektroder var inn via en forhåndsdefinert mesh til mange Pt/PZT/SRO kondensator elementer. For å gjennomføre bøying tester, var prøven festet til et stykke papir av tilsvarende dimensjoner som aktiverer en enkel overføring av utvalget mellom forskjellige former. Formene til mekanisk belastning prøven under kompresjons eller strekk ble trykket av en 3D-skriver. Under sykling testene, ble begge ender av prøven holdt fast for å unngå skli av glimmer lag.
Men begrenser det iboende lite området av ensartethet av PLD teknikken brukbarheten i storskala produksjon. Prosessen for å velge et godt stykke glimmer uten sprekker er også tidkrevende. Glimmer kan strekkes og komprimert, og tilsvarende enheter dyrket på glimmer ikke strukket eller komprimert, også. Mange av materialer dyrket på glimmer trenger en buffer lag å få en god kvalitet film, som øker kompleksiteten for produksjonsprosessen. Disse iboende problemer begrense utviklingen av fleksible enheter. Dermed er det nødvendig å forstå i detalj mekanismene som styrer den nucleation og vekst i van der Waals epitaxy og elektroniske kobling over van der Waals-heterointerfaces for å omgå dette disse problemene.
For tiden ansatt strategier for å realisere fleksibel NVME inkluderer bruk av en polymer underlaget, fortynning av substrat eller epitaxial-overføring teknikk. Om polymer underlag utstilling utmerket mekanisk elastisitet, påvirker deres lav temperatur stabilitet enheten ytelsen på en negativ måte. Også innebærer tynning substrat8 eller epitaxial vekst og påfølgende overføring på fleksibel polymer substrat15 en må langtekkelig prosess. Van der Waals epitaxy som involverer glimmer22,23 ikke bare reduserer gitter og matchende varmeforhold men også lindrer underlaget clamping effekt, gunstig for å realisere epitaxial systemer med ytelsesmål sammenlignes med enkelt krystallinsk bulk kolleger som gjenspeiles i PZT/glimmer. Videre gir 2D lag glimmer substrat fordelen av realisere gratis-stå-like minne elementer som vedlikeholde robuste ferroelectric oppførsel mot mekanisk og termisk. PZT/glimmer systemet har de beste resultatene blant alle fleksible minne elementer hittil20, som omgår saker av ulike tilnærminger nevnt ovenfor.
Gjennomsiktigheten av glimmer kan utnyttes for å oppnå gjennomsiktig NVME. På grunn av (kvasi) van der Waals epitaxy, kan materielle databasen utvides utover de begrenset materiale kombinasjonene iboende til konvensjonell epitaxy. Det er forventet at van der Waals epitaxy på glimmer vil utløse betydelig forskningsinteresse for design og utvikling av neste generasjons fleksible elektroniske enheter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingen konkurrerende økonomiske interesser å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation i Kina (Grant nr. 11402221 og 11502224), staten nøkkel laboratorium av Intense Pulsed stråling simulering og effekt (SKLIPR1513) og Hunan provinsielle nøkkelen forskning og utviklingsplan (nr. 2016 WK 2014).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| hot plate | Polish | P-20 | |
| PLD system | PVD products | PLD 5000 | |
| Ferroelectric test system | Radiant Technologies Precisions workstations | RT66A | |
| Semiconductor device analyzer | Agilent | B1500A | |
| Bending molds | home-made | Machined teflon material | |
| Bending stage | home-built | Labview interfaced setup which provides a prescise displacemnt as small as 1 micrometer | |
| Sputtering system | Beijing Elaborate | ETD-3000 | |
| Materials | |||
| mica(001) sheets | Nilaco corporation | 990066 | |
| conductive silver paint | Ted Pella, INC | No.16033 | |
| CoFe2O4 target | Kurt J.Lesker | ||
| SrRuO3 target | Kurt J.Lesker | ||
| PbZr0.2Ti0.8O3 target | Kurt J.Lesker | ||
| Pt target | Hefei Ke jing |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- Kim, R. H., et al. Non-volatile organic memory with sub-millimeter bending radius. Nature Communications. 5, 3583-3594 (2014).
- Liu, J., et al. Fabrication of Flexible, All-Reduced graphene oxide non-volatile memory devices. Advanced Materials. 25 (2), 233-238 (2013).
- Ji, Y., et al. Stable switching characteristics of organic nonvolatile memory on a bent flexible substrate. Advanced Materials. 22 (28), 3071-3075 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Rho, J., et al. PbZrxTi1−xO3 Ferroelectric thin-film capacitors for flexible nonvolatile memory applications. IEEE Electron Device Letters. 31 (9), 1017-1019 (2010).
- Bretos, I., et al. Activated Solutions Enabling Low-Temperature processing of functional ferroelectric oxides for flexible electronics. Advanced Materials. 26 (9), 1405-1409 (2014).
- 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).
- Bakaul, S. R., et al. High speed epitaxial perovskite memory on flexible substrates. Advanced Materials. 29 (11), 1605699-1605703 (2017).
- 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).
- 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).
- Bitla, Y., et al. Oxide heteroepitaxy for flexible optoelectronics. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (47), 32401-32407 (2016).
- Wu, P. C., et al. Heteroepitaxy of Fe3O4/muscovite: A new perspective for flexible spintronics. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (49), 33794-33801 (2016).
- Jiang, J., et al. Flexible ferroelectric element based on van der Waals heteroepitaxy. Science Advances. 3 (6), e1700121-e1700128 (2017).
- Amrillah, T., et al. Flexible multiferroic bulk heterojunction with giant magnetoelectric coupling via van der waals epitaxy. ACS Nano. 11 (6), 6122-6130 (2017).
- Bitla, Y., Chu, Y. H. MICAtronics: A new platform for flexible X-tronics. Flat Chem. 3, 26-42 (2017).
- Chu, Y. H. Van der Waals oxide heteroepitaxy. Quantum Materials. 2 (1), 67-71 (2017).
