En fabrikation og målemetode for en fleksibel Ferroelectric Element baseret på Van Der Waals Heteroepitaxy
Summary
I dette papir præsenterer vi en protokol til direkte vokse en epitaxial endnu fleksible bly zirconium titanate hukommelse element på moskovitiske glimmer.
Abstract
Fleksibel ingen-flygtig erindringer har fået megen opmærksomhed, som de er gældende for bærbare smart elektronisk enhed i fremtiden, under påberåbelse af high density datalagring og energibesparende forbrug kapaciteter. Høj kvalitet oxid baseret nonvolatile hukommelse på fleksible substrater er imidlertid ofte begrænset af de materialeegenskaber og den uundgåelige høj temperatur fabrikationsproces. I dette papir foreslås en protokol til direkte vokse et epitaxial men fleksibel bly zirconium titanate hukommelse element på moskovitiske glimmer. Den alsidige deposition teknik og måling metode aktiverer fabrikation af fleksible endnu single-krystallinsk ikke-flygtig hukommelse elementer nødvendige for den næste generation af intelligente enheder.
Introduction
Den succesfulde fabrikation af fleksible nonvolatile hukommelse elementer (NVME) spiller en central rolle i at udnytte det fulde potentiale af fleksible elektronik. NVME indslag letvægts, billig, energibesparende forbrug, hurtig hastighed og høj tæthed storagekapacitet udover datalagring, informationsbehandling og kommunikation. Perovskite Pb (Zr, Ti) O3 (PZT) fungerer som et populært system for sådanne programmer, i betragtning af dens store polarisering, hurtig polarisering skifter, høj Curie temperatur, lav tvangsindgreb felt og høj piezoelektriske koefficient. I ferroelectric nonvolatile erindringer, kan en ekstern spænding puls skifte to rest polariseringer mellem to stabile retninger, repræsenteret af ‘0’ og ‘1’. Det er ikke-flygtige, og skrive/læse-processen kan fuldføres i nanosekunder. NVME baseret på økologisk1,2,3,4,5,6 og uorganiske7,8,9,10 ,11,12,13,14,15 ferroelectric materialer har været forsøgt på fleksible substrater. Men, denne integration er begrænset af ikke kun substrater manglende evne til høj temperatur vækst, men også den forringede enhed ydeevne, nuværende lækage og elektrisk kortslutning på grund af deres grovere overflader. På trods af lovende resultater, alternative strategier som udtynding af substrat8 og epitaxial lag overførsel på en fleksibel substrat15 lider begrænset levedygtighed i lyset af den avancerede omstændelig proces, det uforudsigelighed af overførsel, og af begrænset anvendelighed.
Af ovennævnte grunde er det kritisk at udforske et passende substrat, der er i stand til at overvinde begrænset termiske og operationelle stabilitet bløde underlag til yderligere fremme fleksible elektronik. En naturlig moskovitiske glimmer (KAl2(AlSi3O10) (OH)2) substrat med unikke funktioner som atomically glatte overflader, høj termisk stabilitet, kemisk inaktive, stor gennemsigtighed, mekanisk fleksibilitet, og kompatibilitet med nuværende fabrikation metoder kan bruges til effektivt at håndtere disse spørgsmål. Mere så understøtter den todimensionale lagdelt struktur af monoclinic glimmer van der Waals epitaxy, der afbøder gitter og termisk matchende betingelser, derved betydeligt undertrykke substrat fastspænding effekt. Disse fordele er blevet udnyttet i den direkte vækst af funktionelle oxider16,17,18,19,20,21,22, 23 på moskovitiske for nylig, i betragtning af fleksibel enhed applikationer.
Heri, beskriver vi en protokol for at direkte vokse epitaxial alligevel fleksibel bly zirconium titanate (PZT) tynd film på moskovitiske glimmer. Dette opnås gennem en pulserende laser deposition proces bygger på de alsidige egenskaber af glimmer, hvilket resulterer i van der Waals heteroepitaxy. Sådanne strukturer er opdigtet bevarer alle de overlegne egenskaber af epitaxial PZT på stive enkelt krystallinsk substrater og udstiller fremragende termisk og mekanisk stabilitet. Denne enkle og pålidelige tilgang giver en teknologisk fordel over multistep-overførsel og substrat udtynding strategier og fremmer udviklingen af meget ventede fleksible endnu single-krystallinsk ikke-flygtig hukommelse elementer forudsætning for fremtidens intelligente enheder med høj ydeevne.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det vigtigste skridt i fabrikation af ferroelectric elementer ligger i brugen af en ren og endda/fast substrat overflade. Selvom frisk kløvet glimmer overflade er atomically glat, det er nødvendigt at være opmærksom på at forebygge overflader lider synlige opsplitning, split lag, revner, indeslutninger, etc. efter deponering af PZT lag, prøven var afkølet en høj iltkoncentration pres (200-500 Torr) at reducere ilt ledige stillinger. Ex situ top platin elektroder blev deponeret via en foruddefine…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China (Grant nr. 11402221 og 11502224), staten nøglen laboratorium af intenst pulserende stråling simulering og virkning (SKLIPR1513) og Hunan Provincial nøglen forskning og udviklingsplan (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 |
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).
