Yöntem makalesi

Bir imalat ve Van Der Waals Heteroepitaxy dayanan esnek bir Ferroelectric öğesi için ölçüm yöntemi

DOI:

10.3791/57221

⸱

8 Nisan 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

Bu makalede

Özet

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

Bu yazıda, biz Moskof Mika esnek kurşun zirkonyum titanate bellek öğesini doğrudan bir Epitaksiyel henüz büyümeye bir iletişim kuralı mevcut.

Özet

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

Gelecekte, yüksek yoğunluklu veri depolama ve düşük güç tüketimi yetenekleri üzerinde güvenerek taşınabilir akıllı elektronik cihaz için geçerli olduğu gibi esnek geçici olmayan anılar çok dikkat aldık. Ancak, yüksek kaliteli oksit dayalı geçici olmayan bellek esnek yüzeyler üzerinde kez malzeme özellikleri ve kaçınılmaz yüksek sıcaklık imalat süreci tarafından sınırlanır. Bu yazıda, bir protokol Epitaksiyel henüz esnek kurşun zirkonyum titanate bellek öğe üzerinde Moskof Mika doğrudan büyümeye önerilmiştir. Çok yönlü ifade tekniği ve ölçüm yöntemi etkinleştirmek esnek henüz tek kristal geçici olmayan bellek öğeleri yeni nesil akıllı aygıtlar için gerekli imalatı.

Giriş

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

Esnek geçici olmayan bellek öğeleri (NVME) başarılı imalatı esnek elektronik tam potansiyelini önemli bir rol oynar. NVME hafif, düşük maliyetli, düşük güç tüketimi, hızlı hızlı ve yüksek depolama yoğunluğu yetenekleri yanı sıra veri depolama, bilgi işlem ve iletişim özelliği. Perovskite Pb (Zr, Ti) O3 (PZT) onun büyük polarizasyon, hızlı polarizasyon geçiş, yüksek Curie sıcaklık, düşük zorlayıcı alan ve yüksek piezoelektrik katsayısı düşünüyorsanız bu tür uygulamalar için popüler bir sistem olarak davranır. Ferroelectric kalıcı anılar, bir dış gerilim darbe iki kalan kutuplaşmalar '0' ve '1' tarafından temsil edilen iki istikrarlı yönde arasında geçiş yapabilirsiniz. Bu non-maymun iştahlı ve yazma/okuma işlemi nanosaniye içinde tamamlanabilir. Organik1,2,3,4,5,6 ve inorganik7,8,9,10 NVME dayalı ,11,12,13,14,15 ferroelectric malzeme esnek yüzeyler üzerinde çalıştı. Ancak, bu tür entegrasyon sadece yüzeylerde yetersizlik yüksek sıcaklık büyüme aynı zamanda bozulmuş aygıtı performansını, geçerli sızıntı ve elektrik onların kaba yüzeyler nedeniyle kısa devre ile sınırlıdır. Umut verici sonuçlar rağmen stratejileri substrat8 inceltme gibi alternatif ve esnek substrat15 Epitaksiyel katman transferinde acı içinde görüş-in karmaşık multistep işlemi sınırlı canlılığı Tahmin edilemezlik transfer ve sınırlı uygulanabilirliği.

Yukarıda belirtilen nedenlerden dolayı daha fazla esnek elektronik ilerlemek için yumuşak yüzeylerde sınırlı termal ve operasyonel stabiliteleri üstesinden yapabiliyor uygun bir substrat keşfetmek için önemlidir. Doğal Moskof Mika (KAl2(AlSi3O10) (OH)2) substrat atomik pürüzsüz gibi yüzeyler, yüksek termal kararlılık, kimyasal hareketsizlik, yüksek şeffaflık, mekanik esneklik, benzersiz özellikleri ile ve Geçerli imalat yöntemleri ile uyumluluk etkili bu sorunları ile başa çıkmak için kullanılabilir. Daha çok, iki boyutlu katmanlı yapısı monoclinic Mika, kafes ve termal koşullar önemli ölçüde etkisi sıkma substrat bastırmak, eşleşen vektöründeki etkisini azaltır, van der Waals epitaxy destekler. Bu avantajları fonksiyonel oksitler16,17,18,19,20,21,22doğrudan büyüme istismar, 23 Moskof tarihinde son zamanlarda, içinde görüş-in esnek aygıt uygulamaları.

Burada, biz doğrudan Epitaksiyel henüz esnek kurşun zirkonyum titanate (PZT) ince filmler Moskof Mika üzerinde büyümek için bir protokol tanımlamak. Bu Mika, van der Waals heteroepitaxy kaynaklanan çok yönlü özelliklerini dayanarak bir lazer biriktirme işlem aracılığıyla elde edilir. Bu tür uydurma yapıların Epitaksiyel PZT katı tek kristal yüzeyler üzerinde tüm üstün özellikleri korumak ve mükemmel termal ve mekanik sağlamlık sergiler. Bu basit ve güvenilir bir yaklaşım multistep aktarımı ve stratejileri inceltme yüzey üzerinde teknolojik bir avantaj sağlar ve çok beklenen esnek henüz tek kristal geçici olmayan bellek öğeleri için önkoşul gelişimini kolaylaştırır yeni nesil akıllı aygıtlar ile yüksek ifa.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

1. esnek PZT ince filmler imalatı

  1. 1 cm x 1 cm Mika substrat Mika sayfasından makasla kesme.
  2. Bu 1 cm x 1 cm Mika substrat çift taraflı bant kullanarak bir masa üzerine düzeltmek.
  3. Mika katman--bir mikrometre ile ölçülen katman kadar istediğiniz kalınlıkta (50 µm), besleme için cımbız kullanın.
  4. Bu taze hamur i ciddi Mika substrat ince bir tabaka gümüş boya kullanarak bir 5'' substrat tutucu üzerinde ve mika substrat üzerine sıkıca eklemesi 10 dakika sıcak tabakta 120 ° C'de tedavi.
  5. PLD (Geniş puls lazer biriktirme) substrat tutucu PLD odasına koy.
  6. Enerji (örneğin, 300 mJ) lazer ve tekrarlama oranı (örneğin, 10 Hz) seçin.
  7. Odaklama lens kümesi konuma getirin.
  8. Objektif kapağı açın ve bir 5 nm CoFe2O4 (CFO) mevduat [lazer enerji: 300 mJ, oksijen basıncı: 50 mTorr, numune sıcaklığı: 590 ° C, biriktirme zaman: 5 min] ince film bir arabellek katman olarak lazer (şekil 1) tetikleyici tarafından.
  9. 20-80 nm SrRuO3 (SRO) mevduat [lazer enerji: 300 mJ, oksijen basıncı: 100 mTorr, numune sıcaklığı: 680 ° C, biriktirme zaman: 10-30 dk] katman üzerinde bulunan CFO arabellek alt elektrot tetikleme lazer (tarafından sonraki elektrik performans testleri için Şekil 1).
  10. Depozito 150 a nm PZT [lazer enerji: 300 mJ, oksijen basıncı: 100 mTorr, numune sıcaklığı: 650 ° C, ifade Saat: 60 dk] ince film SRO alt elektrot üstünde lazer (şekil 1) tetikleyici tarafından.
  11. N2 kullanarak odası delik ve sıcaklığı oda sıcaklığına ulaştığında PZT/Mika örnek (Şekil 2) kaldırın.
  12. Örnek bir cam parçası koymak.
  13. Önceden tasarlanmış bir mesh ile 200 µm çapı örnek üstüne koy. Mesh de düzeltmek ve kafes-örnek sputtering odanın içine koymak.
  14. DC SAÇTIRMA (10 mA, 8 mbar, 6 dk.) Pt üst elektrotlar film yatırmak için kullanın. Örnek SAÇTIRMA sonra kaldırın.
  15. Bir bıçak ya da % 20 HF asit 1 mm x 1 mm PZT bölümü kaldırmak için kullanın. Bu alt SRO elektrot ortaya çıkarmak ve birçok küçük esnek ferroelectric Kondansatörler oluşturmak içindir.
    Not: SRO alt elektrot olarak büyümek ve sonra şekil 3' te gösterilen PZT ince film elektronik özelliklerini ölçmek için birçok küçük kapasitörler kurmaya SAÇTIRMA DC tarafından filmlerde elektrotlar üstüne Pt mevduat.
  16. Alt SRO elektrot elektriksel iletkenlik artırmak için maruz SRO iletken gümüş bir kat boya. İletken gümüş maruz SRO ulaşabilirsiniz emin olun.

2. ferroelectric karakterizasyonu

  1. Bükme testi
    1. Arka esnek örnek için basit nakletmek-in örnek bir sahneden diğerine örnek olarak aynı boyutta kağıt tutkal.
    2. PZT/Mika ferroelectric test sistemi ve yarı iletken cihaz analyzer test kartını üzerinde yerleştirin.
    3. Bir ölçüm probu ferroelectric test sistemi ve yarı iletken cihaz Analyzer Pt üst elektrot ve diğer ölçüm probu polarizasyon-elektriksel alan (P-E) histeresis döngüleri almak için gümüş-SRO katmanda koydu ve örnek unbent ise kapasite-elektriksel alan (C-E) eğrileri.
      1. 2 kHz frekans iki problar ile P-E histeresis döngüleri ölçmek ve 4'te V. ölçü C-E eğrileri ile iki probları 1 MHz frekans ve 4 Kaldır V. unbent örnek.
    4. Esnek PZT/Mika ince film çift taraflı bant kullanarak istediğiniz kalıp üzerinde güvenli. Ölçüm sırasında kayma/kayma Mika önlemek için dikkat ediniz.
    5. Ferroelectric test sistemi ve yarı iletken cihaz analyzer test tahtaya monte edin.
    6. Alt SRO elektrot benzer daha önce kullanılan yapılandırma kaplama Gümüş (Adım 2.1.3) aracılığıyla diğer sonda dokunur bir sonda Pt üst elektrot bir kenara bırakıp.
    7. P-E histeresis döngüleri ve C-E eğrileri çeşitli çekme dayanımı ve bükme yarıçapı (şekil 4) basınç altında ölçün.
      1. P-E histeresis döngüleri, iki problar 2 kHz frekans ve 4 V. ölçü C-E eğrileri 1 MHz frekans ve 4 V iki problar ile ölçü.
    8. P-E ve C-E ölçümler tamamlandığında esnek PZT örnek kaldırın.
  2. Termal kararlılık
    1. PZT/Mika ferroelectric test sistemi ve yarı iletken cihaz analyzer test tahtaya yaz.
    2. Bir ölçüm probu Pt üst elektrot ve diğer ölçüm probu gümüş-SRO katmanda koydu.
    3. Örnek ısı sıcaklık kontrol sistemi açın.
    4. Farklı sıcaklıklarda (25 ° C, 50 ° C, 75 ° C, 100 ° C, 125 ° C, 150 ° C, 175 ° C) P-E ve C-E ölçümleri yapmak.
    5. Ölçümleri tamamladıktan sonra ısıtıcı montaj dön.
  3. Bükme cyclability testleri
    1. Esnek PZT/Mika bu kurulum iki oluklar monte.
    2. Bir motor yardımı ile diğer ucundan bükülmüş iken örnek bir ucunu düzeltmek.
    3. PZT/Mika uzunluğu ile birlikte motorlu 8 mm bükme işlemi (şekil 5) önce (eğilme) hareket yönünü ölçmek için bir cetvel kullanın.
    4. Örnek 5 mm formüle göre eğmek için hareket uzunluğu C hesaplamak: nerede L PZT/Mika unbent devlet uzunluğu, R olan bükme yarıçapı ise C motor hareketi uzunluğu C=L-2Rsin(L/2R).
    5. Bilgisayar (şekil 6) döngüsü (1000) bükme sayısını ayarlayın.
    6. Motor ileri geri hareket başlatmak için Başlat düğmesini (şekil 6) tıklatın.
    7. Örnek kaldırmak ve P-E ferroelectric özellikleri korunur olup olmadığını kontrol etmek için ölçmek.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

Epitaksiyel PZT/SRO/CFO/Mika ince filmler lazer biriktirme tekniği ile adım 1'de özetlenen tevdi. Büyüme şeması şekil 1 gösterir ve Şekil 2 PZT üzerinde dayalı bir gerçek esnek NVM öğesini gösterir.

Mekanik istikrar esnek aygıt kullanma çok önemli bir yönüdür. Mekanik esneme karşı heterostructure makroskopik ferroelectric performansını çekme ve basınç bükme altı...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

Ferroelectric elemanları imalatı anahtar adımda bir temiz ve hatta/düz yüzey yüzey kullanımında yatıyor. Taze i ciddi Mika yüzey atomik pürüzsüz olmasına rağmen bu yüzeyleri görünür dağılma acı önlemek için dikkat, Katmanlar, çatlaklar, kapanımlar, vb PZT katman birikimi sonra bölmek gereklidir, örnek altında soğutmalı bir yüksek oksijen basıncı (oksijen boş pozisyonlar azaltmak için 200-500 Torr). Ex situ üst Platin elektrotlar birçok Pt/PZT/SRO kapasitör öğeleri oluşturmak için önceden tanımlanmış bir...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarlar ifşa rakip hiçbir mali ilgi alanlarına sahip.

Teşekkürler

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

Bu eser Ulusal Doğa Bilimleri Foundation of China (Grant NOS 11402221 ve 11502224), devlet anahtar laboratuvar, yoğun darbeli radyasyon simülasyon ve etkisi (SKLIPR1513) ve Hunan eyalet anahtar araştırma ve geliştirme planı (No tarafından desteklenmiştir 2016 WK 2014).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
< güçlü > Ekipman< / güçlü >
sıcak plakaLehçeP-20
PLD sistemiPVD ürünleriPLD 5000
Ferroelektrik test sistemi  Radiant Technologies Precisions iş istasyonları RT66A
Yarı iletken cihaz analizörü ve nbsp;Agilent B1500A
Bükme kalıplarıev yapımıİşlenmiş teflon malzeme
Bükme aşamasıev yapımıLabview 1 mikrometre kadar küçük bir ön yer değiştirme
sağlayan arayüzlü kurulum Püskürtme sistemiPekin  AyrıntılıETD-3000
Malzemeler< / güçlü >
mika (001) levhalarNilaco şirketi & nbsp;
iletken gümüş boyaTed Pella, INCNo.16033
CoFe2O4 hedefKurt J.Lesker
SrRuO3 hedefKurt J.Lesker
PbZr0.2Ti<>sub0.8O3 hedefKurt J.Lesker
Pt hedefHefei Ke jing
990066

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

PZT nce FilmPLD BiriktirmeFerroelektrik KarakterizasyonE ilme TestiTermal StabiliteElektriksel letkenlikPlatin ElektrotlarMika Altl k

İlgili makaleler