Eine Fertigung und Messverfahren für ein flexibles Ferroelektrischen Element basierend auf Van Der Waals Heteroepitaxy
Summary
In diesem Beitrag präsentieren wir ein Protokoll direkt noch eine epitaktische Wachstum flexible Blei Zirkon Titanat Speicherelement Muskovit Glimmer.
Abstract
Flexible nicht-flüchtiger Speicher haben viel Aufmerksamkeit erhalten, wie sie in Zukunft für tragbare intelligente elektronische Geräte sind unter Berufung auf High-Density Datenspeicher und Niederleistungsverbrauch Fähigkeiten. Die qualitativ hochwertigen oxid basierend nichtflüchtig auf flexiblen Substraten wird jedoch oft durch die Materialeigenschaften und die unvermeidlichen Hochtemperatur-Fertigungsprozess eingeschränkt. In diesem Papier wird ein Protokoll vorgeschlagen, direkt eine Epitaxie und dennoch flexible Blei Zirkon Titanat Speicherelement auf Muskovit Glimmer wachsen. Die vielseitige Technik und Messung Abscheidungsverfahren ermöglichen die Herstellung von flexiblen, aber einzelne kristalline nichtflüchtigen Speicher-Elemente, die notwendig für die nächste Generation von intelligenten Geräten.
Introduction
Die erfolgreiche Herstellung von flexiblen nichtflüchtigen Speicherelemente (NVME) spielt eine Schlüsselrolle bei der Nutzung des vollen Potenzials der flexible Elektronik. NVME sind geringes Gewicht, low-cost, Low-Power-Verbrauch, hoher Geschwindigkeit und hoher Dichte Speicherkapazitäten neben Datenspeicherung, Informationsverarbeitung und Kommunikation verfügen. Perowskit-Pb (Zr, Ti) O3 (PZT) fungiert als ein beliebtes System für solche Anwendungen in Anbetracht seiner großen Polarisation, schnelle Polarisation umschalten, hohe Curie-Temperatur, niedrige Zwangsmaßnahmen Feld und hohen piezoelektrischen Koeffizienten. In Ferroelektrischen nichtflüchtige Speicher kann eine externe Spannungsimpuls zwei Überrest Polarisierungen zwischen zwei stabile Richtungen, vertreten durch ‘0’ und ‘1’ wechseln. Es ist nicht flüchtig, und der Schreib/Lese-Prozess innerhalb von Nanosekunden abgeschlossen werden kann. NVME basierend auf organischen1,2,3,4,5,6 und anorganischen7,8,9,10 ,11,12,13,14,15 ferroelektrische Materialien wurden auf flexiblen Substraten versucht. Allerdings ist eine solche Integration durch nicht nur die Substrate Unfähigkeit der Hochtemperatur-Wachstum, aber auch die degradierten Geräteleistung, Leckstrom und elektrische Kurzschlüsse durch ihre raueren Oberflächen begrenzt. Trotz vielversprechender Ergebnisse, alternative Strategien wie die Ausdünnung der Substrat-8 und die epitaktischen Schicht-Übertragung auf ein flexibles Substrat15 leiden eingeschränkten Tragfähigkeit im Hinblick auf die anspruchsvolle mehrstufiger Prozess, der Unvorhersehbarkeit der Transfer und die begrenzte Anwendbarkeit.
Aus den genannten Gründen ist es wichtig, eine geeignete Substrat zu erkunden, die begrenzte thermische und operative Stabilitäten von weichen Substraten um flexible Elektronik weiter zu überwinden vermag. Eine natürliche Muskovit-Glimmer (KAl2(AlSi3O10) (OH)2) Substrat mit einzigartigen Funktionen wie atomar glatte Oberflächen, hohe thermische Stabilität, chemische Inertheit, hohe Transparenz, mechanische Flexibilität und Kompatibilität mit aktuellen Herstellungsmethoden kann verwendet werden, um effektiv mit diesen Fragen befassen. Um so mehr, unterstützt die zweidimensionale Schichtstruktur der monoklinen Glimmer van der Waals-Epitaxie, die Gitter und thermische Bedingungen, dadurch erheblich unterdrückt das Substrat spannen Effekt entsprechen mildert. Diese Vorteile wurden in das direkte Wachstum von funktionalen Oxide16,17,18,19,20,21,22ausgeschöpft, 23 auf Muskovit vor kurzem, im Hinblick auf flexible Geräteanwendungen.
Hier beschreiben wir ein Protokoll, um direkt epitaktische noch flexible Blei Zirkon Titanat (PZT) Dünnschichten auf Muskovit Glimmer wachsen. Erreicht wird dies durch eine gepulste Laser Deposition Prozess unter Berufung auf die vielseitigen Eigenschaften von Glimmer, was van der Waals Heteroepitaxy. Solche vorgefertigten Strukturen behalten die überlegenen Eigenschaften der epitaktische PZT auf starre einzelne kristalline Substrate und weist ausgezeichnete thermische und mechanische Stabilität. Dieser einfache und zuverlässige Ansatz stellt einen technologischen Vorteil gegenüber Multistep-Transfer und Substrat Ausdünnung Strategien und fördert die Entwicklung der viel erwartete flexible noch Single-kristalline nichtflüchtigen Speicherelemente Voraussetzung für nächsten Generation intelligente Geräte mit hoher Leistung.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der wichtigste Schritt bei der Herstellung von Ferroelektrischen Elemente liegt in der Verwendung einer sauber und sogar/flache Substratoberfläche. Obwohl frisch gespalten Glimmer Oberfläche atomar glatt ist, ist es notwendig, achten Sie auf Oberflächen verhindert leiden sichtbar Splittern, split-Schichten, Risse, Einschlüsse, etc. nach Absetzung der PZT-Schicht, die Probe unter abgekühlt war ein hohe Sauerstoffdruck (200-500 mm Hg), die Sauerstoff-Stellenangebote zu reduzieren. Ex-Situ Top Platine…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von National Natural Science Foundation of China (Grant Nr. 11402221 und 11502224), der Staat Schlüssel Labor von intensiv gepulste Strahlung-Simulation und Wirkung (SKLIPR1513) und Hunan Provinz Schlüssel Forschung und Entwicklungsplan (Nr. unterstützt. 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).
