Une Fabrication et une méthode de mesure pour un élément ferroélectrique Flexible basé sur l’épitaxie de Van Der Waals
Summary
Dans cet article, nous présentons un protocole d’augmenter directement un épitaxiale encore élément de mémoire câble flexible zirconium titanate sur mica muscovite.
Abstract
Flexibles mémoires non volatiles ont reçu beaucoup d’attention car ils sont applicables pour dispositif électronique intelligent portable dans l’avenir, en s’appuyant sur le stockage de données à haute densité et des capacités de faible consommation. Toutefois, la mémoire non volatile de l’oxyde de qualité basé sur des substrats souples est souvent limitée par les caractéristiques des matériaux et le procédé de fabrication de haute température inévitables. Dans cet article, un protocole est proposé directement croissance épitaxiale mais souple plomb zirconium titanate mémoire élément sur mica muscovite. La méthode de dépôt polyvalent technique et mesure permettent la fabrication d’éléments de mémoire non-volatile flexible encore monocristallin nécessaires pour la prochaine génération de dispositifs intelligents.
Introduction
La fabrication réussie des éléments flexibles de mémoire non volatile (NVME) joue un rôle clé pour exploiter le plein potentiel de l’électronique flexible. NVME doit disposent de poids léger, consommation faible coût, faible puissance, vitesse rapide et capacités de stockage haute densité outre le stockage de données, de traitement de l’information et de communication. Pb de perovskite (Zr, Ti) O3 (PZT) agit comme un système populaire pour ces demandes compte tenu de sa grande polarisation, polarisation rapide commutation, la température de Curie élevée, faible champ coercitif et haut coefficient piézoélectrique. Dans les mémoires non volatiles ferroélectriques, une impulsion de tension externe peut passer les polarisations deux reste entre deux directions stables, représentées par ‘0’ et ‘1’. Il est non volatile, et le processus de lecture/écriture peut être complété en nanosecondes. NVME basé sur organique1,2,3,4,5,6 et inorganiques7,8,9,10 ,11,12,13,14,15 matériaux ferroélectriques ont été tentées sur des substrats souples. Toutefois, une telle intégration est limitée par non seulement des substrats incapacité de croissance haute température mais aussi la performance de l’appareil dégradées, fuite de courant et court-circuit électrique en raison de leurs surfaces accidentées. Malgré des résultats prometteurs, alternent des stratégies comme l’amincissement du substrat8 et le transfert d’une couche épitaxiale sur un substrat flexible15 souffrent viabilité limitée compte tenu du processus multipas sophistiqué, le imprévisibilité de transfert, ainsi que l’applicabilité limitée.
Pour les motifs susmentionnés, il est essentiel d’explorer un substrat approprié qui est capable de surmonter des stabilités thermiques et opérationnelles limitées des substrats mous pour faire progresser l’électronique flexible. Un mica muscovite naturel (KAl2(AlSi3O10) (OH)2) substrat avec des caractéristiques uniques comme atomiquement lisser les surfaces, haute stabilité thermique, inertie chimique, haute transparence, souplesse mécanique, et compatibilité avec les méthodes actuelles de fabrication peut être utilisée pour traiter efficacement ces questions. Plus encore, la structure en couches bidimensionnelle de mica monoclinique prend en charge l’épitaxie de van der Waals, qui atténue les treillis et thermique correspondant à des conditions, supprimant donc considérablement le substrat à l’effet de serrage. Ces avantages ont été exploités dans la croissance directe d’oxydes fonctionnels16,17,18,19,20,21,22, 23 sur muscovite récemment, compte tenu des demandes de matériel flexible.
Ici, les auteurs décrivent un protocole directement croissance épitaxiale plomb mais souple zirconium titanate (PZT) minces sur mica muscovite. Ceci est réalisé grâce à un procédé de déposition de laser pulsé en s’appuyant sur les propriétés polyvalentes de mica, aboutissant à l’épitaxie de van der Waals. Ces structures préfabriquées conservent toutes les propriétés supérieures d’épitaxiale LUN sur substrats cristallins unique rigides et présente d’excellentes stabilités thermiques et mécaniques. Cette approche simple et fiable fournit un avantage technologique sur multistep-transfert et substrat amincissement stratégies et facilite le développement d’éléments tant attendue et pourtant souple monocristallin mémoire non volatile requis pour dispositifs intelligents de nouvelle génération à haute performance.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’étape clé dans la fabrication d’éléments ferroélectriques réside dans l’utilisation d’une surface propre et plat même substrat. Bien que fraîchement clivé mica est atomiquement lisse, il est nécessaire de prêter attention à la prévention des surfaces subissent des éclats visibles, séparer les couches, fissures, inclusions, etc. après la déposition de la couche de LUN, l’échantillon a été refroidi sous un pression élevée en oxygène (200-500 Torr) afin de réduire les postes vaca…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (Grant nos 11402221 et 11502224), la simulation de l’État touche laboratoire de pulsé rayonnement Intense et effet (SKLIPR1513) et Hunan Provincial clé recherche et Plan de développement (no. 2016 SEM 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).
