Strukturella egenskaper hos heteroepitaxi. (A) Schematisk beskrivning av BSTO- och BTO-system. (B) Schematisk över det epitaxiella förhållandet. (C) Out-of-plane röntgen 2θ-θ scan av heterostrukturen. a.u., godtyckliga enheter. (D) Gungande kurvor för SRO(222), BTO(111), och AZO(002). (E) Φ-Scan av muskovit{202}, SRO{002}, BTO{002}, och AZO{101}. (F) TEM-bild i tvärsnitt vid gränssnittet och motsvarande mönster för snabb Fourier-transform (FFT) i insättningarna. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaz3180
Stamkänslig bariumstrontiumtitanat (Ba x -Sr 1-x -TiO 3 ) perovskitsystem används i stor utsträckning för sina överlägsna olinjära dielektriska beteenden. I en ny rapport om Vetenskapens framsteg, D.L. Ko och ett forskarteam inom materialvetenskap och teknik, fysik, elektronik och informationsteknik i Taiwan, Hongkong och USA har utvecklat nya heterostrukturer inklusive paraelektrisk Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 (BSTO) och ferroelektrisk BaTiO 3 (BTO) epitaxiellt på ett flexibelt muskovitsubstrat. Tillämpningen av mekanisk kraft genom enkel böjning reglerade dielektricitetskonstanten (elektrisk energipotential) för BSTO från -77 till 36 %, såväl som kanalströmmen för BTO-baserade ferroelektriska fälteffekttransistorer, genom två order. Ko et al. studerade den detaljerade mekanismen genom att utforska fasövergång och bestämning av bandstruktur för att implementera fasfältssimuleringar och ge teoretiskt stöd. Fältet öppnar en ny väg för mekaniskt styrbara komponenter baserade på högkvalitativ oxidhetereroepitaxi.
Den periodiska konfigurationen av atomer i ett fast ämne är en konsekvens av energiminimering, där de inblandade atomerna och deras motsvarande arrangemang kan bestämma materialens egenskaper. Som ett resultat, materialforskare kan dynamiskt justera periodiciteten hos atomarrangemang eller spänningstillämpningar i ett grundläggande tillvägagångssätt för att justera materialfunktioner. Forskare hade tidigare föreslagit flera tillvägagångssätt för att belasta material - inklusive tillämpningen av hydrostatiskt tryck för att observera förskjutningen av diffraktionstoppar via röntgenanalys som ett direkt bevis på gitterförändring genom yttre kraft. Till exempel, yttre stimuli såsom magnetfält, elektriska fält och ljusbelysning kan genomgå en förändring av gitter på grund av magnetostriktion, elektrostriktion och fotostriktion. Konceptet att applicera mekanisk kraft på material kan realiseras genom manuell bockning eftersom det är den enklaste metoden att orsaka materialdeformation. För att påföra belastning utan absorption genom defektbildning, materialforskare kräver högkvalitativa material som enkristaller eller epitaxiella filmer, även om de flesta enkristaller inte kan böjas mekaniskt.
De olika resultaten av 2-D muskovit under böjning. I den här studien, ett lim användes för att täta kanterna på heterostrukturerna, ger en stark koppling av heterostrukturen. Detta är nyckeln till att belasta heterostrukturen. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaz3180
Tvådimensionella (2-D) skiktade oxidmuskoviter är en kvalificerad kandidat på grund av sin överlägsna mekaniska flexibilitet och höga smältpunkt (~1260 0 C till 1290 0 C). Om en töjning kan appliceras på ett olinjärt dielektriskt gitter, då kan den ändra sin förmåga till laddningslagring och storleken på ferroelektrisk polarisation. Icke-linjära dielektriska material erbjuder stark koppling mellan gitterstrukturen och egenskaperna och bland de traditionella olinjära dielektriska materialen - icke-toxisk perovskit Ba x Sr 1-x TiO 3 system har visat hög känslighet för påfrestningar. Som ett resultat, Ko et al. vald paraelektrisk Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 (BSTO) och ferroelektrisk BaTiO 3 som modellsystem i föreliggande studie för att uppvisa kontroll genom mekanisk böjning.
Forskargruppen trimmade den ferroelektriska-till-paraelektriska fasövergången för Ba x Sr 1-x TiO 3 system för att styra motsvarande dielektriska och ferroelektriska egenskaper via mekanisk böjning. De använde kapacitans-spänning (CV), polarisationsspänning (PV) och ström-spänning (IV) mätningar för att karakterisera den dielektriska konstanten för BSTO och ferroelektriska egenskaper hos BTO. De byggde också en ferroelektrisk fälteffekttransistor (FeFET) på basis av BTO med aluminiumdopad zinkoxid (AZO) halvledarskikt med hög rörlighet och mätte dess kanalström för att studera böjeffekten på BSTO-kondensatorn och BTO FeFET. Teamet observerade förändringen av gitter under böjning med Raman-spektroskopi och använde röntgenfotoelektronspektroskopi för att belysa påverkan av BTO-polarisering på den elektroniska strukturen i halvledar-AZO-skiktet under olika böjningsförhållanden.
Ferroelektriska egenskaper. (A) Förhållandet mellan krökning och tjocklek på muskovitsubstrat. (B) Den dielektriska konstanten för BSTO under olika böjkurvaturer. (C) Avstämningsförmågan hos varierat elektriskt fält under olika böjningskurvaturer. (D) C-V fjärilsform vid oböjt tillstånd och dielektricitetskonstant vid olika böjningstillstånd. (E) Polarisations-spänningshysteresloopar vid olika drag- och kompressiva böjkurvaturer. Kredit:Deng Li Ko, Institutionen för materialvetenskap och teknik, National Chiao Tung University, Hsinchu 30010, Taiwan. (F) Övergångstemperaturen för BSTO och BTO under olika böjningskurvaturer. (G) Amplituden för Raman-signalen vid oböjda och böjda krökningar på 0,1, 0,13, 0,2, och 0,285 mm−1. (H) Ramanspektra för heterostrukturen vid en temperatur som sträcker sig från rumstemperatur till 170°C. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaz3180
Ko et al. konstruerade BSTO-kondensatorn och BTO FeFET-systemen på muskovitsubstrat med överlägsen kristallinitet, som teamet undersökte med hjälp av röntgendiffraktion. De noterade hög kristallin kvalitet på heterostrukturen utan sekundära faser och beräknade kristallkvaliteten för varje lager med hjälp av gungkurvmätningen. För att undersöka materialets mikrostruktur karakteriserade de heterostrukturen med högupplöst transmissionselektronmikroskopi och undersökte stam genom mekanisk böjning med muskovitsubstrat på grund av deras mekaniska flexibilitet, där tunnare muskoviter visade bättre böjning under experimenten.
Teamet utövade påfrestningar genom mekanisk böjning för att observera förändringar i BTO-ferroelektricitet och BSTOs dielektriska konstant. De utförde mätningar av kapacitansspänning (CV) och polarisationsspänning (PV) för att förstå om polarisationsintensiteten hos BTO gradvis försvagades under mekanisk böjning. BSTO-kondensatorns elektriska avstämningsförmåga nådde cirka 60 till 70%, indikerar hög kvalitet på heterostrukturerna, och dielektricitetskonstanten skulle kunna regleras enbart av det elektriska fältet, samtidigt som den ökar eller minskar under positiva (dragtöjning) och negativa (kompressiva töjningar) böjkurvaturer. Ko et al. justerade mängden laddning som lagras i detta dielektriska material genom att sträcka gitterarkitekturen och noterade att beteenden i förhållande till de olinjära dielektriska egenskaperna kunde kontrolleras och upprepas under mekanisk böjning, med stor potential i praktiken.
Egenskaperna hos flexibel FeFET. (A) Schematiskt diagram av flexibel FeFET. (B) Olika böjresultat av ID-VG moturs kurva under VG svepande från -1 till 6 V. (C) ID-VG moturs kurva under kompressionsböjning. (D) Förhållandet mellan böjning och oböjd på-tillståndsström. (E) Fem omgångar av hållbarhetstest startade efter 1000 böjningscykler, och på/av-strömförhållandet var två storleksordningar. (F) IDS för AZO/BSTO-transistorn visar en försumbar förändring under böjning. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaz3180
Teamet undersökte sedan förmågan för mekanisk böjning för att ändra ferroelektriska egenskaper genom flera mätningar inklusive temperaturberoende Raman-spektroskopi för att studera fasövergången hos ferroelektriska material. Resultaten gav direkta bevis för att kontrollera det ferroelektriska tillståndet genom mekanisk böjning och ytterligare designoptimering av enheten gjorde det möjligt för dem att omvandla en enkel och avstämbar ferroelektrisk kondensator till en mekaniskt styrd transistor. Både kompressions- och dragböjning minskade på-tillståndsströmmen - men töjningseffekten var uppenbar under dragböjning. Forskarna bekräftade att AZO/BTO/SRO(Strontiumruthenat)/muskovitsubstratet är en mekaniskt styrbar transistor. Teamet bekräftade dessa effekter med hjälp av piezoresponskraftmikroskopi (PFM) och Kelvin-sondkraftsmikroskopi (KPFM).
Skanningssondens mikroskopi under flex-out 0,285 mm−1 böjningskurvatur. (A) PFM out-of-plan-fas efter polningsprocessen. (B) KPFM-ytpotential detekterades direkt efter PFM-mätningen. Bandstrukturen för FeFET undersöktes genom XPS-mätning. (C) Zn 2p och Ba 3d XPS-spektra för AZO/BTO-prov i Pdown- och Pup-tillstånden. (D) Zn 2p och Ba 3d XPS-spektra för AZO/BTO-prov i oböjt, böjning, och tillplattade tillstånd. (E och F) Schematiska diagram som illustrerar energibandsinriktningen vid AZO/BTO-heteroövergången i oböjda och böjda tillstånd. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaz3180
På det här sättet, D.L. Ko och kollegor utvecklade en flexibel heteroepitaxiell oxidkondensator och FeFET, använder paraelektrisk BSTO, ferroelektriska BTO- och halvledande AZO-skikt på ett 2-D-muskovitsubstrat. BSTO-kondensatorn visade hög avstämning av sin dielektricitetskonstant under mekanisk böjning. I FeFET-komponenten, de nådde en förändring av två storleksordningar i förhållandet mellan på/av-ström i förhållande till BTO-ferroelektricitet. Resultaten av studien gav dem kritiska insikter om mekanismen, där flexibla och avstämbara elektriska egenskaper var möjliga genom enkel mekanisk bockning. Detta genombrott kommer att ge en lovande väg för framtida tillämpningar av mekaniskt inställbar teknik.
© 2020 Science X Network
