Een fabricage- en meetmethode voor een flexibele ferroelektrische Element op basis van Van Der Waals Heteroepitaxy
Summary
In deze paper presenteren we een protocol toe direct een epitaxiale nog flexibele leiding zirkonium titanate geheugen element op muscoviet mica.
Abstract
Flexibel niet-vluchtig geheugen hebben veel aandacht gekregen, aangezien zij van toepassing zijn voor draagbare elektronische smart-apparaat in de toekomst beroep op high-density gegevensopslag en loeien-vermogen verbruik mogelijkheden. De niet-vluchtig geheugen van kwalitatief hoogwaardige oxide gebaseerd op flexibele ondergronden wordt echter vaak beperkt door de materiële kenmerken en de onvermijdelijke hoge-temperatuur-Productie-procédé. In deze paper wordt een protocol voorgesteld om direct groeien epitaxiale maar flexibele leiding zirkonium titanate geheugen op element muscoviet mica. De veelzijdige afzetting techniek en meting methode inschakelen de fabricage van flexibele nog single-kristallijn non-volatile geheugenelementen die nodig zijn voor de volgende generatie van slimme apparaten.
Introduction
De succesvolle fabricage van flexibel niet-vluchtig geheugenelementen (NVME) speelt een belangrijke rol bij het benutten van het volledige potentieel van flexibele elektronica. NVME wordt voorzien van lichtgewicht, low-cost, low-power verbruik, hoge snelheid en hoge dichtheid opslagmogelijkheden naast gegevensopslag, informatieverwerking en communicatie. Perovskiet Pb (Zr, Ti) O3 (PZT) fungeert als een populair systeem voor dergelijke toepassingen gezien zijn grote polarisatie, snelle polarisatie over te schakelen, hoogtemperatuur Curie, lage dwingende veld en hoge piëzo-elektrische coëfficiënt. In ferroelektrische niet-vluchtig geheugen, kunt een externe spanning pols schakelen de twee restant polarisaties tussen twee stabiele richtingen, vertegenwoordigd door de ‘0’ en ‘1’. Het is niet-vluchtig, en het proces van schrijven/lezen binnen nanoseconden kan worden voltooid. NVME gebaseerd op organische1,2,3,4,5,6 en anorganische7,8,9,10 ,11,12,13,14,15 ferroelektrische materialen zijn geprobeerd op flexibele ondergronden. Deze integratie wordt echter beperkt door niet alleen de substraten onvermogen van hoge-temperatuur groei maar ook de aangetaste Apparaatprestaties, huidige lekkage en elektrische kortsluiting vanwege hun ruwere oppervlakten. Ondanks veelbelovende resultaten, alternatieve strategieën zoals het dunner worden van substraat8 en de overdracht van de epitaxiale laag op een flexibele substraat15 lijden beperkte levensvatbaarheid met het oog op de geavanceerde meerstaps proces, de onvoorspelbaarheid van overdracht, en de beperkte toepasbaarheid.
Om de bovengenoemde redenen is het essentieel om te verkennen van een geschikt substraat welk vermag overwinnen beperkte thermische en operationele stabilities van zachte ondergronden tot verder flexibele elektronica. Een natuurlijke muscoviet mica (KAl2(AlSi3O10) (OH)2) substraat met unieke functies zoals beide gladde oppervlakken met hoge thermische stabiliteit, chemische bestendigheid, hoge transparantie, mechanische flexibiliteit, en compatibiliteit met huidige fabricage methoden kan worden gebruikt om effectief omgaan met deze vraagstukken. Meer nog, de twee-dimensionale gelaagde structuur van monoklien mica ondersteunt van der Waals epitaxie, die matigt lattice en thermische afstemmen, waardoor aanzienlijk het onderdrukken van het substraat klemmen effect. Deze voordelen hebben benut in de directe groei van functionele stikstofoxiden16,17,18,19,20,21,22, 23 op muscoviet onlangs, met het oog op de toepassingen van flexibel apparaat.
Hierin beschrijven we een protocol om direct groeien epitaxiale nog flexibele leiding zirkonium titanate (PZT) dunne lagen op muscoviet mica. Dit wordt bereikt door een pulserende laser deposition proces afhankelijk van de veelzijdige eigenschappen van mica, resulterend in van der Waals heteroepitaxy. Dergelijke geconstrueerde structuren behouden alle superieure eigenschappen van epitaxiale PZT op rigide één kristallijne substraten en uitstekende thermische en mechanische stabilities vertoont. Deze eenvoudige en betrouwbare aanpak een technologische voordeel biedt boven multistep-overdracht en substraat uitdunnen van strategieën en vergemakkelijkt de ontwikkeling van de langverwachte flexibele nog single-kristallijn non-volatile geheugenelementen vereiste voor volgende-generatie smart-apparaten met hoge prestaties.
Protocol
Representative Results
Discussion
De belangrijkste stap in de fabricage van ferroelektrische elementen ligt in het gebruik van een oppervlak schoon en zelfs/vlakke ondergrond. Hoewel vers gekloofd mica oppervlak is beide glad, er moet aandacht besteden aan de oppervlakken voorkomen lijden zichtbaar versplintering, lagen, scheuren, insluitsels, etc. na afzetting van de PZT laag splitsen, het monster werd gekoeld onder een hoge zuurstof druk (200-500 Torr) om de zuurstof vacatures. Ex situ top platina elektroden werden gestort via een voo…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11402221 en 11502224), de Braziliaanse sleutel laboratorium van Intense Pulsed straling simulatie en effect (SKLIPR1513) en de Hunan provinciale sleutel onderzoek en ontwikkelingsplan (nr. 2016 WK 2014).
Materials
| 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 |
Riferimenti
- 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).
