Peningkatan Performa Ferroelektrik Film LiNbO3 yang Didoping-Mg oleh Lapisan Atom Ideal yang Diendapkan Al2O3 Tunnel Switch Layer
Abstrak
Struktur bilayer terdiri dari 5% Mg-doped LiNbO3 film kristal tunggal dan Al ultra tipis2 O3 lapisan dengan ketebalan berkisar antara 2 sampai 6 nm telah dibuat dengan menggunakan teknik ion slicing yang dikombinasikan dengan metode deposisi lapisan atom. Hasil pengukuran arus peralihan domain transien mengungkapkan bahwa P-V loop histeresis adalah simetri dalam mode tipe II dengan pulsa tegangan tunggal per siklus, yang dapat dikaitkan dengan medan listrik built-in yang dibentuk oleh elektroda asimetris dan kompensasi medan jejak internal. Selain itu, Al2 . yang bertatahkan O3 , sebagai lapisan sakelar terowongan yang ideal, menyala selama peralihan feroelektrik, tetapi menutup selama pasca-switching atau non-switching di bawah tegangan pulsa yang diterapkan. Al2 O3 lapisan memblokir efek buruk seperti injeksi muatan by-elektroda dan meningkatkan sifat ketahanan lelah dari LiNbO yang didoping-Mg3 kapasitor feroelektrik. Studi ini memberikan cara yang mungkin untuk meningkatkan sifat keandalan perangkat feroelektrik dalam aplikasi memori non-volatil.
Latar Belakang
Film kristal tunggal lithium niobate (LN), karena sifat fisiknya yang sangat baik, [1,2,3,4,5,6] telah banyak digunakan dalam osilator gelombang akustik permukaan, modulator elektro-optik, dan penyimpanan data berdasarkan peralihan domain. Baru-baru ini, litium niobate-on-insulator (LNOI) skala wafer, yang memiliki potensi aplikasi besar untuk sirkuit terpadu densitas tinggi dalam perangkat elektro-optik, akustik-optik, dan penyimpanan data, dibuat dengan implantasi ion dan teknologi ikatan wafer. . Teknologi ini memungkinkan berbagai macam substrat, seperti LN, silikon, dan bahkan sirkuit CMOS [3, 7,8,9]. Namun, loop histeresis jejak berasal dari orientasi yang disukai dan ketahanan lelah yang buruk dari film LN, karena injeksi muatan by-elektroda, mengacaukan retensi pembalikan polarisasi, yang membatasi aplikasinya pada perangkat memori non-volatil [10,11,12] ,13]. Orientasi yang disukai terkait dengan lapisan pasif antarmuka yang terbentuk antara lapisan feroelektrik dan elektroda, yang dapat menginduksi medan depolarisasi yang kuat dalam arah polarisasi yang berlawanan. Itu dapat mengusir muatan yang disuntikkan setelah penghilangan tegangan yang diberikan atau selama waktu intermiten dari tekanan pulsa berurutan [11, 12]. Di sisi lain, karena adanya lapisan pasif antarmuka, ketahanan lelah film LN akan ditingkatkan dengan menghalangi injeksi muatan dari by-elektroda setelah peralihan feroelektrik. Namun, proses kelelahan dipercepat jika waktu periodisitas pulsa yang diterapkan dipersingkat di bawah 0,5 s. Hal ini dijelaskan oleh kontribusi lapisan pasif antarmuka dari muatan ruang akumulatif pada frekuensi tertentu [11]. Dilaporkan bahwa Al2 . bertatahkan O3 film dielektrik dapat diputar sebagai sakelar terowongan di kapasitor bilayer dielektrik/ferroelektrik, misalnya, di Al2 O3 /Pb (Zr,Ti)O3 , dan Al2 O3 /Mn-doped BiFeO3 struktur bilayer [14,15,16]. Al2 O3 Tunnel switch menyala sebagai konduktor selama switching polarisasi, tetapi dimatikan sebagai isolator untuk memblokir injeksi muatan by-elektroda setelah switching polarisasi selesai atau tidak ada operasi switching [14]. Oleh karena itu, dapat mencegah pengisian yang tidak diinginkan dan backswitching polarisasi, dan kemudian meningkatkan keandalan kapasitor bilayer dielektrik/ferroelektrik.
Dalam makalah ini, kami membuat film tipis kristal tunggal LN kongruen dengan ketebalan 200 nm dengan ketebalan 200 nm dan kemudian mendepositkan Al2 ultrathin. O3 lapisan dengan berbagai ketebalan (2–6 nm) pada LN untuk membentuk struktur kapasitor bilayer. Al2 O3 film sebagai lapisan sakelar terowongan dapat meningkatkan daya tahan kelelahan. Elektroda asimetris (elektroda Au/Pt) dirancang untuk membentuk medan listrik built-in melawan medan depolarisasi yang disebabkan oleh lapisan pasif antarmuka. Hasil listrik menunjukkan simetri loop histeresis yang ditransfer dari transien arus pensaklaran domain dengan waktu. Sementara itu, juga membuktikan bahwa Al2 . bertatahkan O3 lapisan berperan sebagai lapisan sakelar terowongan, yang dapat muncul selama peralihan feroelektrik dan menutup setelah pengalihan polarisasi selesai atau tidak ada operasi pengalihan.
Metode
Z-cut 5% Mg-doped yang kongruen LiNbO3 (LN) film tipis kristal tunggal dikupas dari kristal curahnya dengan menggunakan implantasi ionik dan teknologi ikatan wafer, seperti yang dijelaskan di tempat lain [10, 11, 17, 18]. Secara rinci, lapisan permukaan kristal curah LN pertama kali ditanamkan dengan ion He pada kedalaman yang diinginkan dengan mengontrol energi implantasi dan dosis ion yang disuntikkan, dan kemudian lapisan adhesi 5 nm Cr dan lapisan elektroda bawah Pt 100 nm diendapkan oleh DC tergagap-gagap (KJ Lesker PVD-75). Lapisan permukaan direkatkan ke substrat LN lain yang dilapisi dengan SiO setebal 1 m2 lapisan penyangga dan dipotong-potong. Ketebalan film LN dikendalikan hingga sekitar 200 nm dengan pemolesan mekanis kimia. Selanjutnya, ultra tipis Al2 O3 film dengan ketebalan (d ) dari 2–6 nm diendapkan oleh ALD (TFS-200, Beneq, Finlandia). Secara rinci, gas prekursor adalah dietil seng dan air de-ionisasi. Mereka dipompa secara bergantian ke dalam ruang reaksi dengan waktu pulsa 50 ms dan dipisahkan dengan langkah purging menggunakan argon selama 2 s pada suhu reaksi 200 °C [19]. Terakhir, elektroda persegi Au atas dengan luas 1,0 × 10
−4
cm
2
diendapkan melalui topeng logam dangkal.
Ketebalan Al2 O3 lapisan disimpan pada wafer Si sebagai kontras diukur dengan sistem elipsometri spektroskopi (GES-5E, SOPRA, Courbevoie, Prancis). Struktur film dianalisis dengan difraksi sinar-X (XRD) (Bruker D8 Advance) dalam mode pemindaian -2θ dengan Cu Kα radiasi serta mikroskop elektron pemindaian penampang (SEM, Sigma HD, Zeiss). Untuk mempelajari dinamika peralihan domain, beberapa pulsa persegi dengan waktu naik 10 ns diterapkan ke elektroda atas dengan menggunakan generator pulsa Agilent 8114A saluran tunggal, di mana elektroda bawah diarde. Di sirkuit, arus switching domain (Isw ) di seluruh resistor internal seri dari semua instrumen dengan resistansi total dipantau menggunakan osiloskop LeCroy HDO6054. Nilai dari kedua resistansi keluaran dari generator pulsa RK dan resistansi masukan osiloskop RO masing-masing adalah 50 Ω.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1a menunjukkan hasil XRD film tipis LN pada Pt/Cr/SiO2 /LN substrat. Film ini memiliki kekuatan (00 l ) refleksi diindeks dalam fase simetri rombohedral. Selain itu, ada juga beberapa puncak difraksi film Pt dan Cr yang ditandai pada Gambar 1a. Tidak adanya puncak lain menegaskan kristalinitas tinggi dari film LN tanpa pengotor fase. Gambar SEM penampang dari sampel yang ditunjukkan pada Gambar. 1b menunjukkan struktur antarmuka yang jelas dengan LN, Pt, Cr, dan SiO2 menumpuk lapisan.
a Pola XRD dan b gambar SEM penampang dari potongan Z setebal 200 nm LN/Pt/Cr/SiO2 /LN film
Untuk mempelajari mekanisme kinetik switching domain, dua jenis mode tegangan pulsa dirancang seperti yang ditunjukkan dengan jelas pada Gambar. 2a dan b [11]. Tipe I dikonfigurasi sebagai pulsa ganda dalam polaritas yang berlawanan dengan interval waktu 5 s. Pulsa pertama diterapkan untuk mengalihkan status polarisasi ke atas yang mengarah ke elektroda atas dan yang kedua dapat mengalihkan polarisasi ke bawah. Namun, dibatasi oleh waktu pemrograman dari pembangkitan pulsa saluran tunggal, interval waktu minimum terlalu lama untuk menangkap transien arus peralihan domain yang dipanggil oleh pulsa kedua, karena orientasi domain yang disukai. Untuk menangkap transien arus switching domain, satu pulsa yang tumpang tindih dengan bias DC baseline negatif diusulkan pada tipe II, di mana bias DC negatif awal dapat mengalihkan status polarisasi ke atas dan pulsa positif mengatur domain ke bawah. Di sini, lebar kedua jenis pulsa disetel ke 1 μs.
Sketsa dua mode tegangan pulsa berurutan dengan a tipe I (pulsa ganda dalam dua polaritas yang berlawanan) dan b tipe II (pulsa switching tunggal yang tumpang tindih dengan bias DC negatif). Transien peralihan domain saat ini di bawah V different yang berbeda diterapkan pada sampel perawan di c tipe I dan d mode tipe II, di mana inset menunjukkan kecocokan linier dari ketergantungan dataran tinggi arus switching domain pada V . P -V loop histeresis di bawah V . yang berbeda ditransfer dari peralihan domain saat ini di e tipe I dan f tipe II. Diagram skema struktur Au/LN/Pt dan arah medan listrik bawaan Eb dan medan depolarisasi Ed di sisipan e
Gambar 2c dan d menunjukkan peralihan domain saat ini terhadap waktu (t ) sampel struktur Au/LN/Pt di bawah berbagai tegangan yang diterapkan (V ) masing-masing dalam mode tipe I dan tipe II. Dataran tinggi transien saat peralihan domain diamati dengan lebar yang menyempit tetapi bertambah tinggi dengan V meningkat setelah kapasitor awal mengisi arus pada 30 ns. Ketinggian dataran tinggi dalam dua mode keduanya menunjukkan hubungan linier dengan peningkatan V dan hasilnya diringkas dalam sisipan dengan pemasangan garis-padat dari data [11, 13]. Tegangan koersif (Vc ) nilai dalam dua mode dapat diturunkan menjadi sekitar 24,7 V dari intersepsi saluran dengan sumbu tegangan. Setelah pemutusan pulsa switching, arus pengosongan kapasitor terjadi setelah 1 μs, yang menunjukkan bahwa orientasi domain yang disukai adalah keadaan polarisasi ke atas yang menunjuk ke elektroda atas.
P -V loop histeresis di bawah tegangan yang diterapkan berbeda dalam dua mode jenis dapat ditransfer langsung dari transien arus switching domain yang sesuai pada Gambar. 2c dan d, dan hasilnya masing-masing ditunjukkan pada Gambar 2e dan f [11, 20]. Tegangan koersif maju yang ditentukan sekitar 25 V tidak berubah-ubah dengan V diperoleh dalam dua jenis pulsa. Tegangan koersif mendekati Vc diekstraksi dari linear Isw -V plot di inset dari Gambar. 2c dan d. Berbeda dengan film LN non-doping, Vc variabel dan nilainya sama dengan tegangan maksimum yang diterapkan [10]. Untuk LN yang didoping Mg 5%, ditentukan Vc tidak berubah-ubah dengan V , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2e dan f. Ini karena doping Mg dapat menghasilkan kekosongan logam situs-Li dan cacat terkait kekosongan oksigen, [21,22,23] yang dapat menjebak muatan ruang dan secara efektif mempersingkat waktu degradasi resistensi melintasi lapisan antarmuka antara film dan atas/bawah elektroda [11]. Oleh karena itu, arus switching domain tumpang tindih dengan arus pengisian kapasitor dalam percepatan kecepatan switching domain dengan V tertentu. c , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c dan d. Namun, dibatasi oleh generator pulsa, tegangan dasar keluaran dalam mode tipe II tidak dapat digeser secara simetris ketika meningkatkan tegangan pulsa yang diterapkan lebih dari 32 V. Dibandingkan dengan loop yang dicetak di sepanjang sumbu tegangan positif pada Gambar 2e, simetri loop adalah dicapai di sepanjang sumbu tegangan pada Gambar. 2f, berbeda dengan yang ada di Pt/LiNbO3 /Pt struktur di mana P -V loop histeresis baik tipe I atau tipe II dicetak ke arah tegangan positif [11]. Alasan simetris P -V loop pada Gambar. 2f dapat dikaitkan dengan elektroda asimetris yang dirancang (di sini Au/Pt). Fungsi kerja elektroda Au adalah 5.1 eV, yang sedikit lebih kecil dari Pt (5.65 eV) [24]. Ada akan menginduksi medan listrik built-in (Eb ) dengan arah yang menunjuk dari elektroda atas ke elektroda bawah, ditunjukkan pada sisipan Gambar 2e. Bidang depolarisasi (Ed ) yang diinduksi oleh lapisan pasif antarmuka memiliki arah yang berlawanan dengan Eb . Ed dapat mengalihkan kembali polarisasi dalam waktu yang sangat singkat setelah pemutusan pulsa switching pada tipe II untuk elektroda simetris (Pt/Pt) [11]. Dalam percobaan kami, Eb dapat menyaring sebagian Ed dan mengumpulkan biaya yang disuntikkan sebagai kompensasi dari bidang jejak internal, [16] yang dapat memperlambat waktu backswitching. Oleh karena itu, domain yang diaktifkan dapat mempertahankan dan transien arus backswitching akan ditangkap oleh pulsa tipe II. Namun, interval waktu dari dua pulsa dengan polaritas yang berlawanan dalam mode tipe I terlalu lama. Setelah pulsa pertama, muatan yang terperangkap disuntikkan oleh Eb secara bertahap akan dikeluarkan dari film oleh Ed sebelum datangnya pulsa kedua pada tipe I [11]. Untuk membuktikan atribusi medan listrik bawaan pada simetri loop, Pt/LiNbO3 /Pt sampel struktur simetris disiapkan dan loop yang dicetak di sepanjang sumbu tegangan positif ditransfer langsung dari transien arus switching domain yang sesuai di File tambahan 1:Gambar S1a pada pulsa positif dengan tegangan/lebar 30–40 V/500 ns, ditunjukkan di File tambahan 1:Gambar S1b.
Gambar 3a dan b menunjukkan arus peralihan domain (Isw ) transien versus waktu (t ) dari LN dan Al2 O3 (6 nm)/sampel LN di bawah tegangan yang diterapkan berbeda (V ) dalam mode tipe I. Setelah dataran tinggi peralihan domain, arus peralihan Isw meluruh dan diberikan oleh:[13]
dimana t0 , tsw , RL , dan Ci adalah waktu awal peralihan domain, waktu penyelesaian peralihan domain, hambatan total semua resistor seri dalam rangkaian, dan kapasitansi non-ferroelektrik antarmuka, masing-masing. Ini menggambarkan efek perangkap muatan yang dapat dimodelkan sebagai lapisan pasif antarmuka secara seri dengan lapisan feroelektrik yang ideal. Akusw
0
didefinisikan sebagai arus switching dan diberikan oleh:
a , bAkusw -t ketergantungan pada tipe I di bawah V different yang berbeda diterapkan ke Al2 O3 /LN bilayer dengan Al2 O3 ketebalan d = 0 dan 6 nm, masing-masing, dipasang oleh serangkaian garis putus-putus paralel ke Persamaan. (1). c Dataran tinggi arus switching domain sebagai fungsi dari tegangan yang diberikan dengan Al2 . yang berbeda O3 ketebalan lapisan, di mana garis padat menunjukkan data yang paling sesuai dengan Persamaan. (2). d Al2 O3 -ketebalan lapisan d ketergantungan tegangan koersif (Vc ) diekstrak dari c . e , f Kapasitansi antarmuka yang diekstraksi Ci dan resistensi kontak RC sebagai fungsi dari Al2 O3 ketebalan lapisan d
Selama peralihan domain, tegangan yang diterapkan pada lapisan feroelektrik ditetapkan pada tegangan koersif Vfc , dan tegangan ekstra (V -Vfc ) diterapkan ke RL . RL juga termasuk resistansi parasit sirkuit (RP ) dan hambatan kontak (RC ) antara film dan elektroda; karenanya, RL = RO + RK + RP + RC . Bagian yang rusak dari transien arus pensaklaran terhadap waktu dapat dilengkapi dengan Persamaan. (1). Konstanta waktu RLCi dapat diperkirakan dari kemiringan garis yang dipasang. Gambar 3c menunjukkan Sayasw
0
-V plot dengan Al2 yang berbeda O3 ketebalan. RL dan VC diperkirakan dari lereng dan X -intersep sumbu dari garis pas linier. Dapat dilihat bahwa VC meningkat secara linier dengan meningkatnya Al2 O3 ketebalan d , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d. Di sini, Ci nilai diperkirakan sebagai batas kesalahan pada setiap V pada Gambar. 3e [13]. Hasilnya menunjukkan bahwa Ci nilai hampir konstan (1.4 ± 0.2) nF dengan meningkatnya Al2 O3 ketebalan lapisan dari 0 hingga 6 nm.
Untuk menghitung RC , elektroda atas dan bawah korsleting, yang dapat memperoleh RP (~ 2 Ω) dengan tegangan yang diterapkan berbeda, ditunjukkan sebagai kalibrasi sirkuit dengan simbol terbuka pada Gbr. 3c. Oleh karena itu, RC sesuai dengan d dihitung dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 3f. RC meningkat secara linier dari 3 ± 2,5 Ω pada d = 0 hingga 55 ± 10 Ω pada d =6 nm. Hampir d -independen C . besar i nilai menunjukkan bahwa Al2 O3 lapisan bekerja sebagai resistor seri selama switching domain. Artinya Al2 O3 sakelar terowongan dinyalakan selama peralihan FE.
Untuk mendapatkan kapasitansi total bilayer selama FE nonswitching, switching (Psw ) dan tidak beralih (Pnsw ) polarisasi vesus V dengan d meningkat dari 0 menjadi 6 nm di bawah pulsa dalam mode tipe I diukur dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 4a. Tujuan pemilihan pulsa tipe I adalah untuk mendapatkan kurva Pnsw -V ketika arah tegangan yang diterapkan konsisten dengan orientasi polarisasi, dari mana kapasitansi total (Ctot ) dari bilayer dapat dihitung dari relasi, Ctot = S ·dPnsw /dV , di mana S adalah daerah elektroda. Ini benar-benar dapat mengecualikan efek muatan dengan FE switching dalam mode pulsa tipe I, tetapi menggunakan mode tipe II tidak dapat mencapai efek ini dengan polarisasi switching negatif, yang dapat mengalihkan kembali polarisasi yang terlibat dengan injeksi biaya. Perbedaan antara Psw dan Pnsw adalah 2Pr, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a. Ini memiliki perubahan kecil dengan d dari 0 hingga 6 nm, sedangkan Pnsw (simbol terbuka) sinyal terlalu lemah untuk dipantau oleh osiloskop. Untuk membuktikan Al2 O3 lapisan saklar terowongan bekerja sebagai kapasitor dielektrik, C . langsung tot pengukuran menggunakan penganalisis impedansi frekuensi rendah pada 100 kHz tanpa bias DC tambahan dilakukan dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 4b, yang dapat dilengkapi dengan Persamaan. (3):
dimana εAl adalah konstanta dielektrik Al2 O3 lapisan dan ε0 adalah permitivitas vakum ruang bebas. Cf dan S mewakili kapasitansi lapisan feroelektrik dan area elektroda, masing-masing. Gambar 4b menunjukkan 1/C linear linier tot versus d plot, yang menunjukkan bahwa Al2 O3 lapisan menjadi film dielektrik yang sangat terisolasi di bawah situasi nonswitching atau pasca-switching. Dapat diturunkan bahwa Cf 14 pF dan εAl 7.9 dari Persamaan. (3). Oleh karena itu, sela tipis Al2 O3 lapisan terbukti sebagai kapasitor dielektrik. Selama FE non-switching serta setelah FE switching, Al2 O3 sakelar terowongan menutup sebagai isolator.
a Peralihan (Psw ) dan tidak beralih (Pnsw ) polarisasi versus V dengan d meningkat dari 0 menjadi 6 nm di bawah pulsa dalam mode tipe I. b Al2 O3 -ketebalan lapisan d ketergantungan 1/Ctot diukur dengan penganalisis impedansi pada 100 kHz
Gambar 5 menunjukkan diagram skematik Al2 O3 /LN struktur bilayer diaktifkan dalam mode tipe I atau tipe II. Gambar 5a menggambarkan rangkaian on-off ekivalen resistor dan kapasitor seri-dalam untuk Al2 O3 saklar terowongan. Pada keadaan awal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b, orientasi polarisasi yang disukai adalah keadaan polarisasi ke atas yang mengarah ke elektroda atas. Medan listrik built-in yang diinduksi oleh elektroda asimetris diarahkan dari elektroda Au ke elektroda Pt. Saat menerapkan tegangan polarisasi, peralihan FE terjadi. Dipahami bahwa tegangan diterapkan berbanding terbalik dengan kapasitansi dalam rangkaian. Di Al2 O3 /LN struktur bilayer, selama FE switching, lapisan LN memiliki kapasitansi yang besar. Oleh karena itu, sebagian besar tegangan eksternal diterapkan pada Al2 O3 lapisan. Al sangat tipis2 O3 lapisan disuntikkan oleh muatan elektroda. Ini menyala sebagai resistor ketika tegangan yang diberikan melebihi Al2 O3 ambang tunneling, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c. Setelah selesainya pensaklaran FE atau untuk kasus situasi nonswitching, kapasitansi lapisan LN sangat kecil dan tegangan yang diberikan pada Al2 O3 menurun lebih rendah dari tegangan ambang tunneling. Saat ini, Al2 O3 lapisan diputar sebagai isolator dan dimatikan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5d.
Diagram skema dari Al2 O3 /LN struktur bilayer diaktifkan dalam tipe I atau tipe II. a Sketsa rangkaian on-off ekivalen resistor dan kapasitor seri dalam untuk Al2 O3 saklar terowongan. b Orientasi polarisasi awal yang disukai dan medan listrik bawaan; c Al2 O3 sakelar terowongan menyala dan pengalihan domain; d Al2 O3 sakelar terowongan dimatikan dan polarisasi dipertahankan
Gambar 6 menunjukkan ketergantungan nomor siklus dari polarisasi yang diaktifkan di Al2 O3 /LN struktur bilayer dengan ketebalan Al2 O3 mulai dari 0 hingga 6 nm dalam mode tipe I. Lebar pulsa adalah 1000 ns dengan periodisitas 0,5 s. Terlihat jelas bahwa ketahanan lelah Al2 O3 /LN struktur bilayer ditingkatkan secara bertahap dengan meningkatkan Al2 O3 ketebalan lebih dari 10
4
siklus tekanan pulsa. Properti kelelahan dalam mode tipe II mirip dengan hasil dalam mode tipe I, yang ditunjukkan di File tambahan 1:Gambar S2 dari informasi pendukung. Sayangnya, gangguan listrik akan terjadi dengan mudah dalam mode tipe II setelah tegangan DC lama diterapkan dengan hampir 10
4
siklus tekanan pulsa. Data dapat dipasang menggunakan model untuk koeksistensi domain-wall pinning dan depinning dalam setiap siklus, seperti yang ditunjukkan oleh garis padat pada Gambar. 6, di mana fisika kelelahan dikaitkan dengan injeksi muatan by-elektroda [13]. Ketika Al2 O3 lapisan dimasukkan antara elektroda Au dan lapisan LN, dapat memblokir jalur muatan injeksi by-elektroda dan meningkatkan daya tahan kelelahan. Namun, dalam struktur bilayer, beberapa masalah harus dipertimbangkan lebih lanjut. Misalnya, dengan meningkatnya ketebalan Al2 O3 dari 0 hingga 6 nm, tegangan koersif diperbesar dari mendekati 25 menjadi 34 V, yang dapat dikurangi dengan meningkatkan kualitas Al2 O3 lapisan. Sebenarnya, beberapa lapisan atom Al2 O3 dengan kualitas tinggi atau cacat yang lebih sedikit dapat secara efektif memblokir muatan yang disuntikkan oleh elektroda, yang dikonfirmasi di tempat lain dengan mengoptimalkan kondisi pemrosesan deposisi lapisan atom (seperti suhu dan waktu) [25].
Ketergantungan nomor bersepeda dari polarisasi yang diaktifkan di Al2 O3 /LN struktur bilayer dengan ketebalan Al2 O3 mulai dari 0 hingga 6 nm di bawah 10
4
siklus tekanan pulsa. Lebar pulsa adalah 1000 ns dalam periodisitas 0,5 s
Baru-baru ini, memori dinding domain feroelektrik berdasarkan pada dinding domain bermuatan konduksi yang dapat dihapus dan pembacaan listrik non-destruktif dari status polarisasi telah diusulkan dalam penelitian kami berikut ini [26, 27]. Konduktivitas besar dari dinding domain bermuatan dalam kristal tunggal lithium niobate diperoleh setelah pengalihan domain [28, 29]. Oleh karena itu, film tipis kristal tunggal lithium niobate yang lebih tipis pada substrat silikon adalah bahan yang menjanjikan untuk memori dinding domain feroelektrik terintegrasi dan sifat retensi dan ketahanan lelahnya dapat ditingkatkan dengan desain Al2 O3 /lithium niobate bilayer.
Kesimpulan
Dua ratus nanometer LiNbO3 film kristal tunggal dengan 5% Mg-doping disiapkan dengan mengiris ion lapisan permukaan dari kristal tunggal LN massal, dan kemudian ultra tipis Al2 O3 film dengan ketebalan mulai dari 2 hingga 6 nm sebagai lapisan sakelar terowongan diendapkan pada film LN yang didoping Mg 5% untuk membentuk struktur bilayer dengan pengendapan lapisan atom. P-V . yang simetris loop histeresis di sepanjang sumbu tegangan diamati di bawah tegangan pulsa yang diterapkan dalam mode tipe II, yang dapat dikaitkan dengan medan listrik internal yang diinduksi oleh elektroda asimetris di Au/LiNbO3 /Pt dan kompensasi bidang jejak internal. Arus pengalihan domain (Isw ) transien dan yang ditransfer P-V loop histeresis mengungkapkan bahwa Al2 . yang ultra tipis O3 lapisan memainkan sebagai saklar terowongan ide. Menyala selama FE switching, tetapi menutup selama nonswitching atau setelah FE switching, meminimalkan gangguan yang merugikan dengan FE switching. Selanjutnya, ketahanan lelah kapasitor FE ditingkatkan secara bertahap dengan meningkatkan ketebalan lapisan sakelar terowongan dari 2 menjadi 6 nm. Al2 O3 /Struktur bilayer LN membuka jalan untuk merancang perangkat feroelektrik yang kuat dalam mengurangi masalah kelelahan injeksi muatan dengan elektroda.
