En fabrikation och mätmetod för en flexibel ferroelektrisk Element baserat på Van Der Waals Heteroepitaxy
Summary
I detta papper presenterar vi ett protokoll att direkt odla en epitaxiell ännu flexibla bly zirkonium titanate minne element på muscovite glimmer.
Abstract
Flexibla icke-flyktiga minnen har fått mycket uppmärksamhet som de är tillämpliga för bärbar smart elektronisk enhet i framtiden, förlitar sig på data med hög densitet lagring och låg strömförbrukning kapacitet. Det högkvalitativa oxid baserat beständigt minnet på flexibla underlag är dock ofta begränsas av de materiella kännetecken och oundvikliga hög temperatur tillverkningsprocessen. I detta papper föreslås ett protokoll att direkt odla ett epitaxiell men ändå flexibel bly zirkonium titanate minne element på muscovite glimmer. Den mångsidiga nedfall teknik och mätning metoden möjliggör tillverkning av flexibel men singel-crystalline icke-flyktigt minne element som är nödvändiga för nästa generation av smarta enheter.
Introduction
Lyckad tillverkning av flexibla beständigt minne element (NVME) spelar en nyckelroll i att utnyttja den fulla potentialen av flexibel elektronik. NVME skall har låg vikt, låg kostnad, låg effekt konsumtion, snabb hastighet och hög densitet lagringsmöjligheter förutom datalagring, informationsbehandling och kommunikation. Perovskit Pb (Zr, Ti) O3 (PZT) fungerar som ett populärt system för sådana program med tanke på dess stora polarisering, snabb polarisering växling, hög Curie-temperatur, låg tvingande fält och höga piezoelektriska koefficient. I ferroelektrisk beständigt minnen, kan en extern spänning puls växla de två kvarleva polarizations mellan två stabila riktningar, företrädd av ‘0’ och ‘1’. Det är icke-flyktiga, och skriva/läsa processen kan slutföras inom nanosekunder. NVME baserat på ekologiska1,2,3,4,5,6 och oorganiska7,8,9,10 ,11,12,13,14,15 ferroelektrisk material har varit försökt på flexibla underlag. Sådan integration är dock begränsad av inte bara de substrat oförmåga av hög temperatur tillväxt men också försämrade enhetens prestanda, nuvarande läckage och elektrisk kortslutning på grund av deras grövre ytor. Trots lovande resultat, alternativa strategier som gallring av substrat8 och epitaxiell lager överföring på en flexibel substrat15 lida begränsad bärkraft med tanke på sofistikerade utgångsämnet processen, den oförutsägbarhet av överföring och begränsad tillämplighet.
Av ovannämnda skäl är det viktigt att utforska ett lämpligt substrat som kan övervinna begränsad termiska och operativa stabiliteter av mjuk substrat för utbildningsbevakning flexibel elektronik. En naturlig muscovite glimmer (KAl2(AlSi3O10) (OH)2) substrat med unika funktioner som atomically släta ytor, hög termisk stabilitet, kemiska tröghet, hög transparens, mekaniska flexibilitet, och kompatibilitet med aktuella fabrication metoder kan användas för att effektivt ta itu med dessa frågor. Mer så, monoklina mica tvådimensionell skiktad struktur stöder van der Waals epitaxyen, som mildrar galler och termisk matchande villkor, vilket avsevärt undertrycka substratet fastspänning effekt. Dessa fördelar har utnyttjats i den direkta ökningstakt av funktionella oxider16,17,18,19,20,21,22, 23 på muscovite nyligen, med tanke på flexibla enheten program.
Häri, beskriver vi ett protokoll för att direkt odla epitaxiell men ändå flexibel bly zirkonium titanate (PZT) tunna filmer på muscovite glimmer. Detta uppnås genom en process för nedfall av pulsad laser som förlitar sig på mångsidiga egenskaper av glimmer, vilket resulterar i van der Waals heteroepitaxy. Sådana fabricerade strukturer behåller alla de överlägsna egenskaperna hos epitaxiell PZT på styva enda kristallina substrat och uppvisar utmärkta termiska och mekaniska stabiliteter. Denna enkel och pålitlig metod ger en teknisk fördel över utgångsämnet-överföring och substrat gallring strategier och underlättar utvecklingen av efterlängtade flexibel men singel-crystalline icke-flyktigt minne element förutsättning för nästa generations smarta enheter med hög prestanda.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det viktigaste steget i tillverkning av ferroelektrisk element ligger i användningen av en ren och jämn/platt substrat yta. Även färska klyvs glimmer yta är atomically slät, är det nödvändigt att uppmärksamma att förhindra ytor från lidande synliga splittra, split lager, sprickor, inneslutningar, etc. efter nedfall av lagrets PZT, provet var kyls en hög syre tryck (200-500 Torr) för att minska de syre lediga platser. Ex situ topp platina elektroder sattes in via en fördefinierad mesh att …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation Kina (Grant nr 11402221 och 11502224), staten nyckel laboratorium av intensiv pulserande strålning simuleringen och effekt (SKLIPR1513) och Hunan provinsiella nyckel forskning och utveckling planerar (No. 2016 VECKA 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).
