Fabrication d'un dispositif de mémoire de stockage de charge non volatile par de nouvelles nanoparticules de ZnO dopées avec une bande interdite de 4,79 eV
SOUDIP SINHA ROY
Physicien théoricien
Quantumorbit Synthesis Pvt. Ltd., Inde
soudipsinharoy@(gmail.com, physicien.net)
Résumé
De nos jours, la participation drastique des matériaux nanométriques dans la technologie a été impliquée dans diverses applications qui visent principalement l'optimisation des performances, la réduction d'échelle dimensionnelle, la consommation d'énergie ultra-faible, etc. pour surmonter les limites fondamentales des dispositifs à micro-échelle. C'est l'étape requise pour familiariser une alternative pratique aux technologies traditionnelles à grande échelle dans le but d'accélérer le flux de la science appliquée pour l'humanité. Cet article présente deux nouvelles structures de dispositifs non volatiles qui sont fabriquées par couche par un procédé de dépôt de couche. Les mesures IV pour les deux échantillons justifient la caractéristique de l'appareil en tant que configuration de type p - isolant - type n. Les mesures confirment la réussite de la fabrication de ces dispositifs et prouvent la capacité de charge à haute densité avec une durée de vie améliorée des porteurs par rapport aux rapports antérieurs. La tension de seuil mesurée pour cet appareil est de 0,939 V.
Diode caractéristique de l'appareil fabriqué
Clés : oxyde de zinc, dispositifs de stockage de charge, physique quantique, nanotechnologie
1. Introduction
Pour dévoiler les mystères cachés des molécules et de leurs applications, la nanoscience a été présentée avec beaucoup de son morphisme afin d'augmenter rapidement les performances avec une réduction dimensionnelle drastique. La manipulation de la technologie de l' information moléculaire a de nombreuses approches existantes , par exemple la mémoire non volatile moléculaire, des dispositifs de spin électronique, nano- memorister, dispositifs à base d'îlot des points quantiques, des dispositifs capacitifs , etc. qui ont prouvé leurs activités supérieures dans la logique binaire et des applications périphériques de stockage. De nos jours, l'utilité du stockage sur disque dur est devenue tout à fait cruciale et instantanée qui prétend être plus petite et plus rapide pour répondre aux exigences actuelles de l'humanité . La fabrication des dispositifs de stockage de charge non volatile ouvre une voie pratique avec des millions de capacité de stockage de charge dans des zones de quelques nanomètres. Dans cette lettre, le dispositif de mémoire non volatile à base de nanoparticules de ZnO a fait état d'une meilleure optimisation de l'efficacité du dispositif. Pour fabriquer ce dispositif, trois matériaux majeurs ont été impliqués, à savoir le PMMA, les NP Ag, les NP ZnO. Dans un autre type de dispositif est fabriqué en utilisant Nafion qui présente un benchmarking de la diode p-in. La couche de PMMA est utilisée comme barrière tunnel pour les électrons qui fournit un chemin aux électrons à tunnel pendant l'application de polarisation mais une résistance pendant l'état de coupure. Il agit également comme la haute impédance aux électrons pendant l'état de coupure qui résiste à la décharge en défendant l' effet tunnel inverse. Pour fabriquer ce dispositif, les NP ZnO dopés ZnO et Ag sont utilisés et spécifiquement pulvérisés sur la surface de l'ITO. Deux types de dispositifs différents ont été examinés, tout d'abord ITO/PMMA/Nafion a été examiné et ensuite ITO/PMMA/ZnO-NPs dopés avec Ag NPs. La bande interdite réduite de la couche de ZnO dopée fonctionne comme l'état de saut d'électrons et permet de la faire fonctionner à une puissance d'entrée ultra-faible.
2. Contexte des dispositifs de mémoire non volatile
Depuis les vingt dernières années du 19ème siècle, les progrès de la nanotechnologie ont légué de nombreuses applications nouvelles à la technologie actuelle pour accélérer son flux de courant au-delà de ses limites fondamentales. La technologie moléculaire a éliminé diverses complications dans la fabrication et le fonctionnement du dispositif, par exemple l'incohérence des impuretés, la diffusion du support thermique, les dépenses élevées de photolithographie, etc., ce qui surmonte véritablement les défauts indésirables du circuit et réduit strictement le nombre d'états de superposition. Dans l'article publié récemment , il est rapporté que le courant tunnel [1,2] dépend de la résistivité barrière à effet tunnel être violé dynamiquement en raison de la variation de température de fonctionnement. Par conséquent, la stabilité de la température est également un point clé qui doit être élevé pour opter pour les performances ultimes de l'appareil.
La synthèse des dispositifs de mémoire non volatile grâce à la technologie des couches minces moléculaires a déjà été prise en charge il y a quelques années. Les dispositifs MOS à grille flottante ont également des performances acceptables en matière de stockage de charge, mais ceux-ci ont une densité de stockage moindre et une vitesse de fonctionnement plus faible. L'implication des nanoparticules induit une surface élevée avec la large bande interdite qui impose de stocker des données à haute densité et une vitesse de fonctionnement optimisée avec une consommation d'énergie ultra-faible et des défauts infimes.
entre l'ITO et la couche Ag NPs. Un autre rapport indique que la structure du contact ITO / aC / ZnO / aC / Al présente également une optimisation très élevée du taux de commutation et de la capacité de stockage de charge où deux aC ont été incorporés, ce qui a déjà été rapporté précédemment. présente une adaptabilité de performance supérieure [2]. Le rapport ON/OFF (taux de commutation) s'est également considérablement amélioré grâce à l'incorporation de la couche de PMMA comme isolant typique [1].
3. Préparation de nanoparticules respectives
Les nanoparticules suivantes sont utilisées dans le processus de fabrication du dispositif. Le processus de synthèse de ce nanomatériau est très simple, moins cher et rapide. Les produits chimiques impliqués sont facilement disponibles dans le commerce. La liste des produits chimiques est la suivante.
Borohydrate de sodium (NaBH4); AgNO3 ; PVP ; Acétate de zinc dihydraté (Zn(COOCH3)2.2H2O);
Alcool isopropylique (CH3 CH2 CH2 OH); Éthanolamine (C2H7 NON).
3.1. Méthode de préparation ZnO NP
Comme précurseur disponible dans le commerce Acétate de zinc dihydraté (Zn(COOCH3)2.2H2O) On a utilisé le sel et on le dissout dans l' alcool isopropylique (CH3 CH2 CH2 OH) ayant une masse molaire 60,09 g / mol. La solution finale obtenue était de 0,5M. Ensuite, la solution a été mise sous agitation et l'Ethanolamine (C2H7 NO) a été ajouté goutte à goutte sous agitation à 80 °C constant température C jusqu'à ce que le gel se forme. Après avoir obtenu le gel, l'échantillon a été séché à 35 C jusqu'à évaporation complète du solvant. Cependant, le solvant organique s'évapore plus rapidement même à température ambiante.
3.2. Méthode de préparation Ag NP
Avec les 60 ml d'eau distillée, le NaBH4 0,004 M a été dissous et maintenu pendant 30 min sous agitation continue dans un bain de glace. Pendant l'agitation, ajouter goutte à goutte 4 ml de AgNO3 0,002 M jusqu'à ce que la couleur de la solution se transforme en jaune clair. Une fois la couleur désirée obtenue, 0,3 % de PVP comme agent de coiffage a été doucement ajouté. Ensuite, stockez la solution préparée immédiatement dans un espace sombre pour éviter l'agglomération des particules.
3.3. Méthode de préparation de nanopoudres de ZnO dopées à l'Ag
En tant que précurseur dans le commerce acétate de zinc dihydrate (Zn (COOCH3) 2.2H2O) du sel a été utilisé et on le dissout dans l' alcool isopropylique (CH3 CH2 CH2 OH) ayant une masse molaire 60,09 g / mol. La solution finale obtenue était de 0,5M. Ensuite, la solution a été mise sous agitation et l'éthanolamine (C2H7NO ) a été ajoutée goutte à goutte sous agitation à température constante de 80°C jusqu'à ce que le gel se forme. Après la formation du gel de ZnO, le AgNO3 concentrique à 5 % a été ajouté goutte à goutte sous agitation à 6000 tr/min dans un bain de glace. Une fois le dopage réussi, en centrifugeant l'échantillon et en lavant plusieurs fois par MEA, une nanopoudre de ZnO dopée à l'Ag de couleur blanc brillant a été obtenue.
Figure 1 | (a) Mesure UV-vis pour les NP de ZnO pur (50 nm), (b) Vue agrandie pour plus de précisions
Comme l'approximation de la bande interdite optique visible dans l'UV affirme que BG = 1240/ lamda eV.
Par conséquent, le BG calculé de cet échantillon de ZnO ci-dessus est donné par 1240/258,40 = 4,79 eV.
La bande interdite pour une nanoparticule de ZnO pur est d'environ ~ 3,2 eV qui répond à une longueur d'onde UV de 380 nm. Mais dans ce cas, la bande interdite est trouvée avec un incrément inattendu qui a répondu à une longueur d'onde UV de 258,40 nm. Dans le contexte suivant, cette raison sera révélée. Des recherches sont en cours, sur ce sujet.
4. Fabrication d'appareils
La fabrication est l'étape ultime pour donner un aspect physique à toute substance théorique. Dans ce cas, deux types de dispositifs différents ont été fabriqués fig. 2 est le dispositif basé sur ITO/PMMA/ZnO NPs. Ce dispositif fonctionne avec le processus fondamental de base des états de piégeage et de saut de charge. Mais le second appareil fig. 3 fonctionne avec la bande interdite réduite du ZnO par dopage Ag et se traduit par un fonctionnement ultra-faible puissance avec un rapport ON/OFF optimisé.
4.1. Dispositif structuré ITO/PMMA/Naffion
La formule chimique du nafion est C7HF13O5SC2F4·. Initialement, l'ITO a été nettoyé à plusieurs reprises par l'éthanol concentrique et l'acétone dans l'appareil à ultrasons puis il a été séché pendant une heure à température ambiante. Après cela, l'ITO a été exposé au PMMA par un spin coater approprié et conservé pendant 24 heures. à température ambiante à des fins de séchage. L'épaisseur cultivée en 40nm. Une fois le séchage terminé, le nafion hautement purifié a été coulé en goutte sur la surface en PMMA séchée de l'ITO et séché pendant 24 heures. à température ambiante.
Figure 2 | Dispositif structuré ITO/PMMA/Nafion
4.2. Dispositif ZnO dopé ITO/PMMA/Ag
Le processus de fabrication
Initialement, l'ITO a été nettoyé à plusieurs reprises par l'éthanol concentrique et l'acétone dans l'appareil à ultrasons puis il a été séché pendant une heure à température ambiante. Après cela, l'ITO a été exposé au PMMA et conservé pendant 24 heures. à température ambiante. à des fins de séchage. Une fois le séchage terminé, la nanopoudre de ZnO dopée à l'Ag présynthétisée a été diluée dans les 2 propanols et a été pulvérisée sur la surface de PMMA séchée de l'ITO et un film mince plus épais de 100 nm a été produit. Après cela, l'échantillon a été maintenu sous vide pendant 48 heures dans un but spécial.
Figure 3 | Dispositif structuré ITO/PMMA/Ag NPs/ZnO dopé Ag
5. Justification de la performance via IV et mesure du CV
5.1. Mesure IV du dispositif à base de naffion.
La mesure IV est la technique qui permet d'étudier la cartographie courant-tension pour tout dispositif multipolaire. Dans ce cas, les deux dispositifs fabriqués sont les systèmes bipolaires, ceux-ci sont vérifiés par des mesures IV.
Figure 4 | Courbe de mesure IV pour le dispositif à base d'ITO/PMMA/Nafion
D'après la figure 4 du graphique ci-dessus, il est bien visible que la courbe est similaire à la diode à semi-conducteur où le courant direct des électrons est de 2,39889e-9 A. Le courant est élevé par rapport aux dispositifs précédemment rapportés [2]. Ce courant élevé représente la forte probabilité que les électrons se trouvent dans la bande de conduction du Nafion. Une fois que les électrons sont soumis au champ électromoteur puis progressivement ceux-ci tentent de franchir l'interface barrière PMMA (épaisseur 250nm) et après une certaine tension, on observe des phénomènes d'effet tunnel des électrons ce qui ressort clairement de la fig. 3. Dans la plage de potentiel de 0,831 V à 0,939 V, il y a une transition de l'électron qui donne un petit pic de vallée qui satisfait l'effet tunnel d'électrons à travers le film mince de PMMA. La vallée supérieure fournit un courant de 1,422e-9 A qui retombe instantanément à 1,4444e-10 A. A partir de 0,939V cet appareil présente les caractéristiques standard des diodes. Par conséquent, la tension de seuil pour cet appareil est de 0,939 V. La mesure de -2V à +2V assure que cette caractéristique de diode est bien justifiée et répond aux dispositifs semi-conducteurs standards.
5.2. Mesure du CV de l'appareil basé sur Nafion
Mesure de voltamétrie cyclique pour l'échantillon à base de nafion. En gardant les ions K + dans la solution, la mesure du CV a été effectuée.
Figure 5 | Courbe de mesure IV pour l'appareil à base d'ITO/PMMA/Nafion avec le système de mesure IV à quatre sondes
Figure 6 | Courbe de mesure CV pour le dispositif à base d'ITO/PMMA/Nafion
Selon l'analyse CV, si le dispositif est entièrement réversible, alors évidemment ipa/ipc devrait être égal à 1. Mais dans ce cas, ce rapport s'écarte de un par le facteur 4,3170. Le courant anodique IPA est de 0,000351429A et le courant cathodique est de 0,00151714A. En cas de cycle direct, le courant est relativement élevé par rapport au cycle inverse. Par conséquent, il est identifié que ce dispositif est de nature non volatile. Cette nature non volatile se présente sous la forme d'une capacité de stockage de charge. L'intervalle spécifié entre deux cycles avant et arrière est de 2 secondes.
5.3. Mesure IV du dispositif à base de ZnO dopé à l'Ag.
Figure 7 | Courbe de mesure IV pour le dispositif à base de NPs ZnO dopés ITO/PMMA/Ag
D'après cette courbe de mesure de la figure 7, on voit que cette courbe suit les caractéristiques p-in standard. L'incorporation de la couche isolante intermédiaire diffère le dispositif des semi-conducteurs à diode pn généraux où les semi-conducteurs de type p et de type n sont attachés et séparés par la couche isolante auto-induite appelée couche d' appauvrissement. Mais lorsque cette couche d'appauvrissement est fabriquée en masque, les caractéristiques du dispositif passent aux caractéristiques p-in où l' effet tunnel d' électrons a lieu à travers la couche isolante. En fonction de l'épaisseur des courant varie d'effet tunnel de barrière à effet tunnel et donne un courant d'effet tunnel de recherche qui fournit typiquement une oscillation comme représenté sur la figure 8. Selon la courbe de mesure, la sortie de courant stable maximal est obtenu à 3.984V est 3.2e-5 A La tension de seuil mesurée pour cet appareil est de 0,339 V.
Le cadre complet du graphique est illustré ci-dessous, où la partie en surbrillance du graphique présente un phénomène de type bruit qui est principalement causé par l' effet tunnel d' électrons indésirable et incontrôlé dans la plage de potentiel appliquée, figure 8.
Figure 8 | Courbe complète de la courbe de mesure IV pour le dispositif à base de NPs ZnO dopés ITO/PMMA/Ag.
6. Conclusion
Ce travail est réalisé pour la fabrication des dispositifs non volatils à base de ZnO et de nanoparticules de ZnO dopés métal. En collaboration avec la mesure des caractéristiques des quatre sondes IV, les appareils ont prouvé que les deux ont une nature non volatile et que ceux-ci ont une tension de seuil très inférieure qui peut déclencher un appareil à très faible puissance. L'amélioration de la capacité de stockage de charge est notable dans les deux appareils. La bande interdite inattendue pour le ZnO est vérifiée par plusieurs observations et expériences. Dans les prochains articles, cela pourrait se présenter.
Les références
[1] Fushan Li, et al. , "Effets de mémoire non volatile des nanoparticules de ZnO intégrées dans une couche de carbone amorphe", Japanese Journal of Applied Physics 49 (2010) 070209.
[2] Biswanath Mukherjee et Moumita Mukherjee, "Dispositif de mémoire non volatile basé sur des nanoparticules d'Ag : amélioration des caractéristiques" Applied Physics Letters 94, 173510 (2009) ; doi : 10.1063/1.3127233.
[3] VL Covin, MC Schlamp et AP Alivisatos : Nature (Londres) 370 (1994) 354.
[4] T. Homma, T. Kutsuzawa, K. Kunimune et Y. Murao : Thin Solid Films 235 (1993) 80.
[5] M. Horie : J. Vac. Sci. Technol. UNE 3 (1995) 2490.
[6] S. Mizuno, A. Verma, H. Tran, P. Lee et B. Nguyen : Thin Solid Films 283 (1996) 30.
[sept] HJ Ko, KM Lee, HJ Lee et CK Choi : Thin Solid Films 506–507 (2006) 8 .
[8] ZJ Donhauser, BA Mantooth, KF Kelly, LA Bumm, JD Monnell, JJ Stapleton, Jr., DW Price, AM Rawlett , DL Allara, JM Tour et PS Weiss, Science 292, 2303 2001 .