في الموقع الإرسال المجهري الإلكتروني مع التحيز وتصنيع العارضة غير المتماثلة على أساس مختلط على مراحل A-VOx
Summary
هنا هو بروتوكول لتحليل التغيرات النانوية خلال التحيز في الموقع مع المجهر الإلكتروني انتقال (TEM) لبنية معدنية مرصوفة عازلة معدنية. لديها تطبيقات كبيرة في العارضة التبديل المقاوم للجيل القادم من الدوائر المنطقية القابلة للبرمجة والأجهزة العصبية، للكشف عن آليات التشغيل الأساسية والتطبيق العملي.
Abstract
مطلوب للغاية العمارة تبديل العارضة مقاومة في مجال الذكريات الرقمية بسبب انخفاض التكلفة والفوائد عالية الكثافة. وتظهر المواد المختلفة تباينا في خصائص التبديل المقاوم بسبب الطبيعة الجوهرية للمواد المستخدمة، مما يؤدي إلى وجود اختلافات في الميدان بسبب آليات التشغيل الأساسية. وهذا يسلط الضوء على الحاجة إلى تقنية موثوقة لفهم الآليات التي تستخدم الملاحظات النانوية. يشرح هذا البروتوكول عملية ومنهجية مفصلة للتحليل النانوي في الموقع نتيجة للتحيز الكهربائي باستخدام المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM). ويوفر دليلا مرئيا وموثوقا من التغيرات الكامنة nanostructural في عمليات الذاكرة في الوقت الحقيقي. كما تشمل منهجية التصنيع والتوصيفات الكهربائية لهياكل العارضة غير المتماثلة التي تتضمن أكسيد الفاناديوم غير المتبلور. البروتوكول الموضح هنا لأفلام أكسيد الفاناديوم يمكن تمديده بسهولة إلى أي مواد أخرى في هيكل معدني معدني. ومن المتوقع أن العارضة التبديل المقاوم لخدمة المنطق القابل للبرمجة والدوائر العصبية للأجهزة الذاكرة الجيل القادم، نظرا لفهم آليات التشغيل. يكشف هذا البروتوكول عن آلية التبديل بطريقة موثوقة وفعالة من حيث التكلفة في أي نوع من مواد التبديل المقاومة ، وبالتالي يتنبأ بقابلية الجهاز للتطبيق.
Introduction
المقاومة تغيير أكسيد الذكريات تستخدم بشكل متزايد ككتلة بناء للذاكرة الجديدة والهندسة المعمارية المنطق بسبب سرعة التبديل الخاصة بهم متوافقة، أصغر بنية الخلية، والقدرة على أن تكون مصممة في قدرة عالية ثلاثية الأبعاد (3D) صفائف العارضة1. حتى الآن، تم الإبلاغ عن أنواع تبديل متعددة لأجهزة التبديل المقاومة2،3. السلوكيات التبديل الشائعة لأكسيد المعادن هي أحادية القطب، ثنائي القطب، التبديل المقاوم التكميلي، والتحول عتبة متقلبة. إضافة إلى تعقيد، وقد أفيد خلية واحدة لإظهار متعددة الوظائف أداء التبديل مقاوم كذلك4،5،6.
هذا التباين يعني أن هناك حاجة إلى التحقيقات nanostructural لفهم أصول سلوكيات الذاكرة المختلفة وآليات التبديل المقابلة لتطوير واضح محدد تحويل تعتمد على الشرط لمنفعة عملية. التقنيات التي ذكرت عادة لفهم آليات التبديل هي التنميط العمق مع الأشعة السينية الطيفي الكهروثير ضوئي (XPS)7،8، نانو مقياس الطيف الكتلية الأيوني الثانوية (نانو- SIMS)6، غير تدميرية الضوئية الطيفية (PL)8، التوصيف الكهربائي من مختلف حجم وسمك أكسيد وظيفية من الأجهزة ، nanoindentation7, الإرسال المجهري الإلكترون (TEM), الطاقة-تشتت الأشعة السينية التحليل الطيفي (EDX), وكهرباء الطاقة فقدان التحليل الطيفي (EELS) على عرضية المقطع lamella في غرفة TEM6,8. وقد وفرت جميع التقنيات المذكورة أعلاه رؤى مرضية بشأن آليات التحويل. ومع ذلك، في معظم التقنيات، مطلوب أكثر من عينة واحدة للتحليل، بما في ذلك البكر، والكهربائية، تعيين، وإعادة تعيين الأجهزة، لفهم سلوك التبديل الكامل. وهذا يزيد من التعقيد التجريبي ويستغرق وقتا طويلا. بالإضافة إلى ذلك، معدلات الفشل مرتفعة، لأن تحديد موقع خيوط subnanoscale في جهاز بضعة ميكرون في الحجم أمر صعب. ولذلك، فإن التجارب في الموقع مهمة في توصيفات البنية النانوية لفهم آليات التشغيل، لأنها توفر الأدلة في التجارب في الوقت الحقيقي.
المقدم هو بروتوكول لإجراء TEM في الموقع مع التحيز الكهربائي لمعدن المعادن العازلة (MIM) أكوام من أجهزة التبديل عبر نقطة المقاومة غير المتماثلة. الهدف الأساسي لهذا البروتوكول هو توفير منهجية مفصلة لإعداد lamella باستخدام شعاع أيون التركيز (FIB) والإعداد التجريبي في الموقع لTEM والتحيز الكهربائي. يتم شرح العملية باستخدام دراسة تمثيلية للأجهزة غير المتماثلة عبر النقاط على أساس أكسيد الفاناديوم غير المتبلور(a-VOx)4. كما قدم هو عملية تصنيع عبر نقطة الأجهزة التي تتضمن –VOx، والتي يمكن أن يتم بسهولة رفعها إلى العارضة ، وذلك باستخدام عمليات التصنيع الصغيرة متناهية الصغر القياسية. عملية التصنيع هذه مهمة لأنها تتضمن في العارضة a-VOx الذي يذوب في الماء.
وميزة هذا البروتوكول هو أنه مع لاميلا واحدة فقط، يمكن ملاحظة التغيرات nanostructural في TEM، على عكس التقنيات الأخرى، حيث مطلوب ما لا يقل عن ثلاثة أجهزة أو lamellae. هذا يبسط العملية بشكل كبير ويقلل من الوقت والتكلفة والجهد مع توفير أدلة مرئية موثوقة على التغيرات النانوية في العمليات في الوقت الحقيقي. بالإضافة إلى ذلك، تم تصميمه مع عمليات تصنيع النانو الدقيقة القياسية، وتقنيات الفحص المجهري، والأدوات بطرق مبتكرة لتحديد حداثتها ومعالجة الثغرات البحثية.
في الدراسة التمثيلية الموصوفة هنا لأجهزةعبر النقاط – VOx، يساعد بروتوكول TEM في الموقع على فهم آلية التبديل وراء apolar وعتبة متقلبة التبديل4. العملية والمنهجية التي وضعت لمراقبة التغيرات النانوية فيx – VO خلال التحيز في الموقع يمكن تمديدها بسهولة إلى درجة الحرارة في الموقع ، ودرجة الحرارة في الموقع والتحيز في وقت واحد ، عن طريق استبدال رقاقة تركيب lamella فقط ، وإلى أي مواد أخرى بما في ذلك طبقتين أو أكثر من المواد الوظيفية في هيكل معدني عازل – معدني. فهو يساعد على الكشف عن آلية التشغيل الأساسية وشرح الخصائص الكهربائية أو الحرارية.
Protocol
Representative Results
Discussion
هذه الورقة يفسر بروتوكول للتحيز في الموقع مع المجهر الإلكترون انتقال بما في ذلك عملية تصنيع للجهاز، gridbar تصميم للتحيز رقاقة تصاعد، إعداد lamella وتركيب على رقاقة التحيز، وTEM مع التحيز في الموقع.
يتم شرح منهجية تصنيع الأجهزة عبر النقاط ، والتي يمكن توسيعها بسهولة إلى هياكل العا?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم تنفيذ هذا العمل جزئيا في مرفق بحوث النانو الدقيقة في جامعة RMIT في العقدة الفيكتورية للمرفق الوطني الأسترالي للتصنيع (ANFF). يعترف المؤلفون بالتسهيلات والمساعدة العلمية والتقنية من مرفق التحليل المجهري التابع لجامعة RMIT، وهو مختبر مرتبط من المجهر الأسترالي. الدعم للمنح الدراسية من جائزة الدراسات العليا الأسترالية (APA) / برنامج التدريب على البحوث (RTP) مخطط الحكومة الأسترالية معترف به. ونشكر البروفيسور مادو باسكاران، الأستاذ المشارك سوميت واليا، والدكتور ماثيو فيلد، والسيد برينتون كوك على توجيهاتهم ومناقشاتهم المفيدة.
Materials
| Resist processing system | EV group | EVG 101 | |
| Acetone | Chem-Supply | AA008 | |
| Biasing Chip – E-chip | Protochips | E-FEF01-A4 | |
| Developer | MMRC | AZ 400K | |
| Electron beam evaporator – PVD 75 | Kurt J Leskar | PRO Line – eKLipse | |
| Focused Ion beam system | Thermo Fisher – FEI | Scios DualBeamTM system | |
| Hot plates | Brewer Science Inc. | 1300X | |
| Magnetron Sputterer | Kurt J Leskar | PRO Line | |
| Mask aligner | Karl Suss | MA6 | |
| Maskless Aligner | Heildberg instruments | MLA150 | |
| Methanol | Fisher scientific | M/4056 | |
| Phototresist | MMRC | AZ 5412E | |
| Pt source for e-beam evaporator | Unicore | ||
| The Fusion E-chip holder | Protochips | Fusion 350 | |
| Ti source for e-beam evaporator | Unicore | ||
| Transmission Electron Microscope | JEOL | JEM 2100F |
References
- Kozma, R., Pino, R. E., Pazienza, G. E., Kozma, R., Pino, R. E., Pazienza, G. E. . Advances in Neuromorphic Memristor Science and Applications. , 9-14 (2012).
- Pan, F., Gao, S., Chen, C., Song, C., Zeng, F. Recent progress in resistive random access memories: Materials, switching mechanisms, and performance. Materials Science and Engineering: R: Reports. 83, 1-59 (2014).
- Zhou, Y., Ramanathan, S. Mott Memory and Neuromorphic Devices. Proceedings of the IEEE. 103 (8), 1289-1310 (2015).
- Nirantar, S., et al. In Situ Nanostructural Analysis of Volatile Threshold Switching and Non-Volatile Bipolar Resistive Switching in Mixed-Phased a-VOx Asymmetric Crossbars. Advanced Electronic Materials. 5 (12), 1900605 (2019).
- Rupp, J. A., et al. Different threshold and bipolar resistive switching mechanisms in reactively sputtered amorphous undoped and Cr-doped vanadium oxide thin films. Journal of Applied Physics. 123 (4), 044502 (2018).
- Ahmed, T., et al. Inducing tunable switching behavior in a single memristor. Applied Materials Today. 11, 280-290 (2018).
- Nili, H., et al. Nanoscale Resistive Switching in Amorphous Perovskite Oxide (a-SrTiO3) Memristors. Advanced Functional Materials. 24 (43), 6741-6750 (2014).
- Ahmed, T., et al. Transparent amorphous strontium titanate resistive memories with transient photo-response. Nanoscale. 9 (38), 14690-14702 (2017).
- Reuhman-Huisken, M. E., Vollenbroek, F. A. An optimized image reversal process for half-micron lithography. Microelectronic Engineering. 11 (1), 575-580 (1990).
- Taha, M., et al. Insulator-metal transition in substrate-independent VO2 thin film for phase-change devices. Scientific Reports. 7 (1), 17899 (2017).
- Booth, J. M., et al. Correlating the Energetics and Atomic Motions of the Metal-Insulator Transition of M1 Vanadium Dioxide. Scientific Reports. 6, 26391 (2016).
- Lee, S., Ivanov, I. N., Keum, J. K., Lee, H. N. Epitaxial stabilization and phase instability of VO2 polymorphs. Scientific Reports. 6, 19621 (2016).
