Name: in situ transmission electron microscopy with biasing and fabrication of asymmetric crossbars based on mixed-phased a-vox
Uploaded: 2020-05-13T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx at JoVE.com

Dette arbejde blev delvist udført på Micro Nano Research Facility på RMIT University i den victorianske node i Australian National Fabrication Facility (ANFF). Forfatterne anerkender faciliteterne og den videnskabelige og tekniske bistand fra RMIT University's Mikroskopi, Mikroanalysefacilitet, et forbundet laboratorium for mikroskopi Australien. Scholarship støtte fra den australske Postgraduate Award (APA) / Research Training Program (RTP) ordning af den australske regering er anerkendt. Vi takker professor Madhu Bhaskaran, lektor Sumeet Walia, Dr. Matthew Field, og Mr. Brenton Cook for deres vejledning og nyttige diskussioner.

1. Fabrikationsproces og elektrisk karakterisering
<ol><li>Brug fotolithografi9 til at mønstre bundelektrode (BE-lag 1) med fotoresist af enhederne ved hjælp af følgende parametre:<ol>
<li>Spincoat fotoresisten ved 3.000 omdrejninger i minuttet, blød bag den ved 90 °C i 60 s, eksponere med 25 mJ/cm2 med en 405 nm laser, bages ved 120 °C i 120 s, udføre oversvømmelseseksponering med 21 mW/cm2 og en 400 nm laser, udvikle sig ved hjælp af udvikleren og skylles med dei...

<ol>
	<li>Kozma, R., Pino, R. E., Pazienza, G. E., Kozma, R., Pino, R. E., Pazienza, G. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Advances in Neuromorphic Memristor Science and Applications. , 9-14 (2012).</li><li>Pan, F., Gao, S., Chen, C., Song, C., Zeng, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+progress+in+resistive+random+access+memories:+Materials,+switching+mechanisms,+and+performance.">Recent progress in resistive random access memories: Materials, switching mechanisms, and performance.</a> Materials Science and Engineering: R: Reports. 83, 1-59 (2014).</li><li>Zhou, Y., Ramanathan, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mott+Memory+and+Neuromorphic+Devices.">Mott Memory and Neuromorphic Devices.</a> Proceedings of the IEEE. 103 (8), 1289-1310 (2015).</li><li>Nirantar, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Situ+Nanostructural+Analysis+of+Volatile+Threshold+Switching+and+Non-Volatile+Bipolar+Resistive+Switching+in+Mixed-Phased+a-VOx+Asymmetric+Crossbars.">In Situ Nanostructural Analysis of Volatile Threshold Switching and Non-Volatile Bipolar Resistive Switching in Mixed-Phased a-VOx Asymmetric Crossbars.</a> Advanced Electronic Materials. 5 (12), 1900605 (2019).</li><li>Rupp, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Different+threshold+and+bipolar+resistive+switching+mechanisms+in+reactively+sputtered+amorphous+undoped+and+Cr-doped+vanadium+oxide+thin+films.">Different threshold and bipolar resistive switching mechanisms in reactively sputtered amorphous undoped and Cr-doped vanadium oxide thin films.</a> Journal of Applied Physics. 123 (4), 044502 (2018).</li><li>Ahmed, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inducing+tunable+switching+behavior+in+a+single+memristor.">Inducing tunable switching behavior in a single memristor.</a> Applied Materials Today. 11, 280-290 (2018).</li><li>Nili, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+Resistive+Switching+in+Amorphous+Perovskite+Oxide+(a-SrTiO3)+Memristors.">Nanoscale Resistive Switching in Amorphous Perovskite Oxide (a-SrTiO3) Memristors.</a> Advanced Functional Materials. 24 (43), 6741-6750 (2014).</li><li>Ahmed, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transparent+amorphous+strontium+titanate+resistive+memories+with+transient+photo-response.">Transparent amorphous strontium titanate resistive memories with transient photo-response.</a> Nanoscale. 9 (38), 14690-14702 (2017).</li><li>Reuhman-Huisken, M. E., Vollenbroek, F. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+optimized+image+reversal+process+for+half-micron+lithography.">An optimized image reversal process for half-micron lithography.</a> Microelectronic Engineering. 11 (1), 575-580 (1990).</li><li>Taha, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Insulator-metal+transition+in+substrate-independent+VO2+thin+film+for+phase-change+devices.">Insulator-metal transition in substrate-independent VO2 thin film for phase-change devices.</a> Scientific Reports. 7 (1), 17899 (2017).</li><li>Booth, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlating+the+Energetics+and+Atomic+Motions+of+the+Metal-Insulator+Transition+of+M1+Vanadium+Dioxide.">Correlating the Energetics and Atomic Motions of the Metal-Insulator Transition of M1 Vanadium Dioxide.</a> Scientific Reports. 6, 26391 (2016).</li><li>Lee, S., Ivanov, I. N., Keum, J. K., Lee, H. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epitaxial+stabilization+and+phase+instability+of+VO2+polymorphs.">Epitaxial stabilization and phase instability of VO2 polymorphs.</a> Scientific Reports. 6, 19621 (2016).</li></ol>

Dette papir forklarer protokollen for in situ biasing med transmission elektron mikroskopi herunder fabrikation proces for enheden, gridbar designe til biasing chip montering, lamella forberedelse og montering på biasing chip, og TEM med in situ biasing.
Fremstillingsmetoden for cross-point-enheder, som let kan skaleres op til tværstangsstrukturer, forklares. Ti-udjævningen af vanadiumoxid er afgørende for at inkorporere amorf vanadiumoxid, fordi den opløses i vand under fabrikationstrinn...

Modstand ændre oxid erindringer er i stigende grad bruges som byggesten for nye hukommelse og logik arkitekturer på grund af deres kompatible skifte hastighed, mindre cellestruktur, og evnen til at blive designet i høj kapacitet tre-dimensionelle (3D) tværstang arrays1. Til dato er der rapporteret flere koblingstyper for resistive koblingsenheder2,3. Almindelige skiftadfærd for metaloxider er enpolet, bipolar, komplementært resistivt skift og flygtige tærskelskift. Tilføjelse til kompleksiteten, enkelt celle er blevet rapporteret til at vise multifunktionelle resistive skifte ydeevne samt4,5,6.
Denne variation betyder, at nanostrukturelle undersøgelser er nødvendige for at forstå oprindelsen af forskellige hukommelsesadfærd og tilsvarende skiftmekanismer for at udvikle klart definerede tilstandsafhængige skift til praktisk nytte. Almindeligt rapporterede teknikker til at forstå koblingsmekanismerne er dybdeprofilering med røntgenfotoelektrisk spektroskopi (XPS)7,8,nanoskala sekundær ionmassespektroskopi (nano-SIMS)6, ikke-destruktiv fotoluminescensspektroskopi (PL)8, elektrisk karakterisering af forskellig størrelse og tykkelse af funktionel oxid af enheder, nanoindentation7, transmissionselektronmikroskopi (TEM), energisprednings røntgenspektroskopi (EDX) og elektronenergitabsspektroskopi (ÅL) på tværsnitslameller i et TEM-kammer6,8. Alle ovennævnte teknikker har givet tilfredsstillende indsigt i koblingsmekanismerne. Men i de fleste af teknikkerne kræves der mere end en prøve til analyse, herunder de uberørte, elektroformede, indstillede og nulstillede enheder, for at forstå den komplette skiftadfærd. Dette øger eksperimentel kompleksitet og er tidskrævende. Derudover er fejlprocenterne høje, fordi det er vanskeligt at finde en undernanoskala filament i en enhed et par mikron i størrelse. Derfor er in situ-eksperimenter vigtige i nanostrukturelle karakteristik for at forstå driftsmekanismer, da de giver bevis i realtidseksperimenter.
Præsenteret er en protokol til at gennemføre in situ TEM med elektrisk biasing for metal-isolator-metal (MIM) stakke af asymmetriske resistive skifte cross-point enheder. Det primære mål med denne protokol er at tilvejebringe en detaljeret metode til lamellaforberedelse ved hjælp af en fokusionstråle (FIB) og in situ eksperimentel opsætning til TEM og elektrisk biasing. Processen forklares ved hjælp af en repræsentativ undersøgelse af asymmetriske krydspunktsanordninger baseret på blandetfaset amorf vanadiumoxid (a-VOx)4. Også præsenteret er fremstillingsprocessen af cross-point enheder, der indeholder en-VOx, som let kan skaleres op til overliggere ved hjælp af standard mikro-nano fabrikationsprocesser. Denne fabrikationsproces er vigtig, da den i overliggeren indeholder et-VOx, der opløses i vand.
Fordelen ved denne protokol er, at med kun én lamella, nanostrukturelle ændringer kan observeres i TEM, i modsætning til de andre teknikker, hvor mindst tre enheder eller lameller er påkrævet. Dette forenkler processen betydeligt og reducerer tid, omkostninger og kræfter, samtidig med at det giver pålidelige visuelle beviser for nanostrukturelle ændringer i realtidsoperationer. Derudover er det designet med standard mikro-nano fabrikation processer, mikroskopi teknikker, og instrumenter på innovative måder at etablere sin nyhed og løse forskning huller.
I den repræsentative undersøgelse, der er beskrevet her for en-VOx-baseredecross-point-enheder, hjælper in situ TEM-protokollen med at forstå koblingsmekanismen bag apolar og flygtig tærskelskift4. Den proces og metode, der er udviklet til at observere nanostrukturelle ændringer i en-VOx under in situ-biasing, kan let udvides til in situ-temperatur og in situ-temperatur og biasing samtidigt ved blot at udskifte lamellamonteringschippen og til ethvert andet materiale, herunder to eller flere lag funktionelt materiale i en metal-isolator-metal klemt struktur. Det hjælper med at afsløre den underliggende driftsmekanisme og forklare elektriske eller termiske egenskaber.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:932px;" width="931">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:265px;">Resist processing system</td>
			<td style="width:173px;">EV group</td>
			<td style="width:195px;">EVG 101</td>
			<td style="width:299px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Acetone</td>
			<td style="width:173px;">Chem-Supply</td>
			<td style="width:195px;">AA008</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Biasing Chip - E-chip</td>
			<td style="width:173px;">Protochips</td>
			<td>E-FEF01-A4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Developer</td>
			<td style="width:173px;">MMRC</td>
			<td style="width:195px;">AZ 400K</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Electron beam evaporator - PVD 75</td>
			<td style="width:173px;">Kurt J Leskar</td>
			<td style="width:195px;">PRO Line - eKLipse</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;">Focused Ion beam system</td>
			<td style="width:173px;">Thermo Fisher - FEI</td>
			<td style="width:195px;">Scios DualBeamTM system</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:265px;">Hot plates</td>
			<td style="width:173px;">Brewer Science Inc.</td>
			<td style="width:195px;">1300X</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Magnetron Sputterer</td>
			<td style="width:173px;">Kurt J Leskar</td>
			<td style="width:195px;">PRO Line</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Mask aligner</td>
			<td style="width:173px;">Karl Suss</td>
			<td style="width:195px;">MA6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Maskless Aligner</td>
			<td style="width:173px;">Heildberg instruments</td>
			<td style="width:195px;">MLA150</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:22px;">Methanol</td>
			<td style="width:173px;">Fisher scientific</td>
			<td style="width:195px;">M/4056</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Phototresist</td>
			<td style="width:173px;">MMRC</td>
			<td style="width:195px;">AZ 5412E</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:265px;">Pt source for e-beam evaporator</td>
			<td style="width:173px;">Unicore</td>
			<td style="width:195px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">The Fusion E-chip holder</td>
			<td style="width:173px;">Protochips</td>
			<td style="width:195px;">Fusion 350</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:265px;">Ti source for e-beam evaporator</td>
			<td style="width:173px;">Unicore</td>
			<td style="width:195px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Transmission Electron Microscope</td>
			<td style="width:173px;">JEOL</td>
			<td style="width:195px;">JEM 2100F</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in situ transmission electron microscopy with biasing and fabrication of asymmetric crossbars based on mixed-phased a-vox

Resistive skifte crossbar arkitektur er meget eftertragtet inden for digitale erindringer på grund af lave omkostninger og high-density fordele. Forskellige materialer udviser variation i resistive koblingsegenskaber på grund af det anvendte materiales iboende karakter, hvilket fører til uoverensstemmelser på området på grund af underliggende driftsmekanismer. Dette understreger behovet for en pålidelig teknik til at forstå mekanismer ved hjælp af nanostrukturelle observationer. Denne protokol forklarer en detaljeret proces og metode til in situ nanostrukturel analyse som følge af elektrisk biasing ved hjælp af transmission elektronmikroskopi (TEM). Det giver visuelle og pålidelige beviser for underliggende nanostrukturelle ændringer i realtid hukommelse operationer. Også inkluderet er metoden til fremstilling og elektriske karakteriseringer for asymmetriske tværstangsstrukturer, der indeholder amorf vanadiumoxid. Protokollen forklaret her for vanadiumoxid film kan nemt udvides til alle andre materialer i en metal-dielektrisk-metal klemt struktur. Resistive skifte overliggere forventes at tjene den programmerbare logik og neuromorfe kredsløb til næste generation af hukommelse enheder, i betragtning af forståelsen af operationen mekanismer. Denne protokol afslører koblingsmekanismen på en pålidelig, rettidig og omkostningseffektiv måde på enhver form for resistivt koblingsmateriale og forudsiger dermed enhedens anvendelighed.

De resultater, der opnås ved hjælp af denne protokol for crosspoint-enhederne -VOx , er forklaret i figur 8. Figur 8A viser TEM-mikrografen af den intakte lamella. Her indikerer diffraktionsmønstrene (indsat) den amorfe karakter af oxidfilmen. For in situ TEM-målingerne blev kontrollerede spændinger anvendt fra 25 mV til 8 V i 20 mV-trin med bundelektroden (BE) positivt forudindtaget og topelektrode (TE) jordet. <strong class="x...

Watch this Scientific Journal Video about In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx at JoVE.com

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

Præsenteret her er en protokol til analyse af nanostrukturelle ændringer under in situ biasing med transmission elektronmikroskopi (TEM) for en stablet metal-isolator-metal struktur. Det har betydelige anvendelser i resistive skifte overliggere for den næste generation af programmerbare logik kredsløb og neuromimicking hardware, til at afsløre deres underliggende drift mekanismer og praktisk anvendelighed.

In Situ Transmission Electron Mikroskopi med biasing og fremstilling af asymmetriske overliggere baseret på blandet faset en-VOx

Resistive switching crossbar architecture is highly desired in the field of digital memories due to low cost and high-density benefits. Different ...

Research

JoVE Journal

Engineering

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy

Afslørende dynamiske processer af materialer i væsker ved brug Liquid Cell Transmission Electron Microscopy

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted ...

In Situ Time-dependent Dielectric Breakdown in the Transmission Electron Microscope: A Possibility to Understand the Failure Mechanism in Microelectronic Devices

In Situ Time-dependent Dielectric Breakdown in the Transmission Electron Microscope: A Possibility to Understand the Failure Mechanism in Microelectronic Devices

In Situ Tidsafhængig Dielektriske Opdeling i Transmission Electron Microscope: En Mulighed for at forstå Manglende Mechanism i mikroelektroniske indretninger

The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Udskrivning Fabrikation af Bulk heterojunction solceller og<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologi Karakterisering

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

Studere dynamiske processer af Nano-størrelse Objekter i Liquid hjælp Scanning Transmission Electron Microscopy

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

A Method for Obtaining Serial Ultrathin Sections of Microorganisms in Transmission Electron Microscopy

En metode til at indhente seriel ultratynde sektioner af mikroorganismer i transmissions Elektron Mikroskopi

Observing cells and cell components in three dimensions at high magnification in transmission electron microscopy requires preparing serial ultrathin ...

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Fokuseret Ion Beam fabrikation af LiPON-baseret Solid-state Lithium-ion Nanobatteries til In Situ test

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...

Fabrication of Flexible Image Sensor Based on Lateral NIPIN Phototransistors

Fabrikation af fleksible billedsensor baseret på Lateral RAFNS Phototransistors

Flexible photodetectors have been intensely studied for the use of curved image sensors, which are a crucial component in bio-inspired imaging systems, ...

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Metoder til Ex Situ og In Situ undersøgelser af strukturelle forandringer: sagen om krystallisering af metalliske briller

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic ...

Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Fabrikation af magnetiske nanostrukturer på Silicon Nitride membraner til magnetiske Vortex undersøgelser ved hjælp af Transmission mikroskopi-teknikker

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...

Single-Digit Nanometer Electron-Beam Lithography with an Aberration-Corrected Scanning Transmission Electron Microscope

Encifrede Nanometer Electron-Beam litografi med en Aberration-korrigeret Scanning transmissions elektron mikroskop

We demonstrate extension of electron-beam lithography using conventional resists and pattern transfer processes to single-digit nanometer dimensions by ...