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

Detta arbete utfördes delvis vid Micro Nano Research Facility vid RMIT University i Victorian Node of the Australian National Fabrication Facility (ANFF). Författarna erkänner anläggningarna och det vetenskapliga och tekniska stödet från RMIT University's Microscopy, Microanalysis Facility, ett anknutet laboratorium i Microscopy Australia. Stipendiestöd från Australian Postgraduate Award (APA)/Research Training Program (RTP) program av den australiska regeringen bekräftas. Vi tackar professor Madhu Bhaskaran, docent Sumeet Walia, Dr. Matthew Field och Mr. Brenton Cook för deras vägledning och hjälpsamma diskussioner.

1. Tillverkningsprocess och elektrisk karakterisering
<ol><li>Använd standardbildåterföringsfotolitografi9 för att mönstra nederkantselektrod (BE-lager 1) med fotoresist på enheterna med hjälp av följande parametrar:<ol>
<li>Snurra fotoresisten vid 3 000 varv/min, grädda den mjukt vid 90 °C i 60 s, exponera med 25 mJ/cm2 med en 405 nm laser, grädda vid 120 °C i 120 s, utför översvämningsexponering med 21 mW/cm2 och en 400 nm laser, utveckla med utvecklare och...

<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>

Detta dokument förklarar protokollet för in situ-förspänning med transmissionselektronmikroskopi inklusive tillverkningsprocessen för enheten, gridbardesign för förspänning av spånmontering, lamellberedning och montering på det snedvridande chipet och TEM med in situ-förspänning.
Tillverkningsmetoden för tvärpunktsenheter, som lätt kan skalas upp till tvärstångsstrukturer, förklaras. Ti capping av vanadinoxid är viktigt för att införliva amorf vanadinoxid, eftersom den lö...

Resistensförändringsoxidminnen används alltmer som byggsten för nya minnes- och logikarkitekturer på grund av deras kompatibla kopplingshastighet, mindre cellstruktur och förmågan att utformas i tredimensionella (3D) tvärbalksystem med hög kapacitet (3D)1. Hittills har flera kopplingstyper rapporterats för resistiva kopplingsenheter2,3. Vanliga växlingsbeteenden för metalloxider är unipolära, bipolära, kompletterande resistiva växlingar och flyktig tröskelväxling. Utöver komplexiteten har en cell rapporterats visa multifunktionell resistiv växlingsprestanda samt4,5,6.
Denna variabilitet innebär att nanostrukturella undersökningar behövs för att förstå ursprunget till olika minnesbeteenden och motsvarande omkopplingsmekanismer för att utveckla tydligt definierade tillståndsberoende växling för praktisk nytta. Allmänt rapporterade tekniker för att förstå kopplingsmekanismerna är djupprofilering med röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS)7,8, sekundär jonmasspektroskopi i nanoskala (nano-SIMS)6, icke-förstörande fotoluminescensspektroskopi (PL)8, elektrisk karakterisering av olika storlek och tjocklek på funktionell oxid av enheter, nanoindentation7,transmissionselektronmikroskopi (TEM), energidispersiv röntgenspektroskopi (EDX) och elektronenergiförlustspektroskopi (EELS) på tvärsnittslameller i en TEM-kammare6,8. Alla ovanstående tekniker har gett tillfredsställande insikter om växlingsmekanismerna. Men i de flesta tekniker krävs mer än ett prov för analys, inklusive de orörda, elektroformade, inställda och återställda enheterna, för att förstå det fullständiga växlingsbeteendet. Detta ökar experimentell komplexitet och är tidskrävande. Dessutom är felfrekvensen hög, eftersom det är svårt att hitta en filament i undernanoskala i en enhet med några mikron i storlek. Därför är in situ-experiment viktiga i nanostrukturella karakteriseringar för att förstå driftsmekanismer, eftersom de ger bevis i realtidsexperiment.
Presenteras är ett protokoll för att genomföra in situ TEM med elektrisk förspänning för metallisolator-metall (MIM) staplar av asymmetriska resistiva omkoppling cross-point enheter. Det primära målet med detta protokoll är att tillhandahålla en detaljerad metodik för lamellpreparat med hjälp av en fokusjonstråle (FIB) och in situ experimentell installation för TEM och elektrisk biasing. Processen förklaras med hjälp av en representativ studie av asymmetriska tvärpunktsenheter baserade på blandad fas amorf vanadinoxid(a-VOx)4. Också presenteras är tillverkningsprocessen av cross-point enheter som innehåller en-VOx, som lätt kan skalas upp till tvärstänger, med hjälp av standard mikro-nano tillverkningsprocesser. Denna tillverkningsprocess är viktig eftersom den innehåller i tvärstänger a-VOx som löses upp i vatten.
Fördelen med detta protokoll är att med endast en lamell kan nanostrukturella förändringar observeras i TEM, till skillnad från de andra teknikerna, där minst tre enheter eller lameller krävs. Detta förenklar processen avsevärt och minskar tid, kostnad och ansträngning samtidigt som det ger tillförlitliga visuella bevis på nanostrukturella förändringar i realtidsoperationer. Dessutom är den utformad med standard mikronanotillverkningsprocesser, mikroskopitekniker och instrument på innovativa sätt för att etablera sin nyhet och ta itu med forskningsluckorna.
I den representativa studie som beskrivs här för en-VOx-baseradtvärpunktsenheter hjälper TEM-protokollet in situ till att förstå växlingsmekanismen bakom apolär och flyktig tröskelväxling4. Den process och metodik som utvecklats för att observera nanostrukturella förändringar i enVOx under in situ-förspänning kan enkelt utvidgas till in situ-temperatur och in situ-temperatur och förspänning samtidigt, genom att bara ersätta lamellmonteringschipet och till något annat material inklusive två eller flera lager funktionellt material i en metallisolator-metall inklämd struktur. Det hjälper till att avslöja den underliggande driftsmekanismen och förklara elektriska eller termiska egenskaper.

<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

Resistiv byte av tvärstångsarkitektur är mycket önskvärt inom området digitala minnen på grund av låg kostnad och fördelar med hög densitet. Olika material visar variabilitet i resistiva omkopplingsegenskaper på grund av det använda materialets inneboende karaktär, vilket leder till avvikelser i fältet på grund av underliggande driftsmekanismer. Detta belyser behovet av en tillförlitlig teknik för att förstå mekanismer med hjälp av nanostrukturella observationer. Detta protokoll förklarar en detaljerad process och metodik för in situ nanostrukturell analys som ett resultat av elektrisk förspänning med hjälp av transmissionselektronmikroskopi (TEM). Det ger visuella och tillförlitliga bevis på underliggande nanostrukturella förändringar i realtidsminnesoperationer. Dessutom ingår metoden för tillverkning och elektriska karakteriseringar för asymmetriska tvärstångsstrukturer som innehåller amorf vanadinoxid. Protokollet som förklaras här för vanadinoxidfilmer kan enkelt utvidgas till andra material i en metall-dielektrisk metall inklämd struktur. Resistiva omkopplingskorsstänger förutspås tjäna den programmerbara logiken och neuromorfa kretsarna för nästa generations minnesenheter, med tanke på förståelsen av driftsmekanismerna. Det här protokollet avslöjar växlingsmekanismen på ett tillförlitligt, snabbt och kostnadseffektivt sätt i alla typer av resistiva kopplingsmaterial och förutsäger därmed enhetens tillämplighet.

De resultat som uppnås med hjälp av detta protokoll för a-VO x-korspunktsenheter förklaras i figur 8. Figur 8A visar TEM-mikrografen av den intakta lamellen. Här indikerar diffraktionsmönstren (inset) oxidfilmens amorfa natur. För in situ TEM mätningar tillämpades kontrollerade spänningar från 25 mV till 8 V i 20 mV steg med den nedre elektroden (BE) positivt partisk och topp elektrod (TE) jordad. Figu...

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

Presenteras här är ett protokoll för att analysera nanostrukturella förändringar under in situ biasing med transmissionselektronmikroskopi (TEM) för en staplad metallisolator-metall struktur. Den har betydande tillämpningar för resistiv omkoppling av tvärstänger för nästa generations programmerbara logikkretsar och neuromimicking hårdvara, för att avslöja deras underliggande driftsmekanismer och praktiska tillämplighet.

In Situ Transmission ElectronMikroskopi med förspänning och tillverkning av asymmetriska tvärstänger baserade på blandade faser a-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

Avslöja dynamiska processer av material i vätskor använder flytande Cell transmissionselektronmikroskop

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 Tidsberoende dielektriska genombrottet i transmissionselektronmikroskop: En möjlighet att förstå mekanismen Fel i Microelectronic Devices

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

Tryckning Tillverkning av Bulk hetero solceller och<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

Studera dynamiska processer av Nano stora objekt i Liquid använder Scanning transmissionselektronmikroskopi

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 metod för att erhålla seriell Ultrathin sektioner av mikroorganismer i transmissionselektronmikroskopi

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

Fokuserad Ion Beam tillverkning av LiPON-baserade SSD Lithium-ion Nanobatteries för In Situ testning

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

Tillverkning av flexibla bildsensor baserat på laterala ANNALENA 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 Ex Situ och In Situ utredningar av strukturomvandlingar: fallet av kristallisation av metalliska glasögon

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

Tillverkning av magnetiska nanostrukturer på kisel nitriden membran för magnetiska Vortex studier med överföring mikroskopi tekniker

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

Ensiffriga Nanometer elektronstråle litografi med en Aberration-korrigerade skanning transmissionselektronmikroskop

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