Khóa luận: Chế tạo và khảo sát tính chất đảo điện trở của vật liệu Cystamine (CSH)

Khóa luận tốt nghiệp trình bày quá trình chế tạo và khảo sát tính chất đảo điện trở của vật liệu Cystamine (CSH) ứng dụng cho bộ nhớ RRAM.

• Tác giả: Trần Ngọc Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Kim Ngọc
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Khoa học và Công nghệ Vật liệu
• Đề tài: Chế tạo và khảo sát tính chất đảo điện trở của vật liệu Cystamine (CSH)
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Cystamine và tính chất đảo điện trở

Cystamine (CSH) là một hợp chất hữu cơ có công thức Cystamine Dihydrochloride, được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực vật liệu điện tử hiện đại. Tính chất đảo điện trở của Cystamine là khả năng thay đổi điện trở giữa hai trạng thái: trạng thái điện trở cao (HRS) và trạng thái điện trở thấp (LRS). Đây là nền tảng để phát triển công nghệ bộ nhớ RRAM (Resistive Random-Access Memory) - một trong những công nghệ lưu trữ dữ liệu tiên tiến nhất. Khóa luận này tập trung vào chế tạo và khảo sát các đặc tính vật lý của vật liệu Cystamine nhằm hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của nó trong các ứng dụng điện tử, đặc biệt là trong các linh kiện bộ nhớ đảo điện trở.

1.1. Định nghĩa Cystamine và ứng dụng

Cystamine Dihydrochloride (CSH) là một hợp chất hữu cơ chứa nhóm disulfide với tính chất dẫn điện độc đáo. Hợp chất này được sử dụng để chế tạo các thiết bị nhớ điện tử nhờ khả năng đảo điện trở của nó. Với cấu trúc phân tử đặc biệt, Cystamine có thể tạo thành các màng mỏng trên các nền chất khác nhau, mở ra những khả năng ứng dụng mới trong công nghệ vi điện tử và điện tử hữu cơ.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu về tính chất đảo điện trở của Cystamine có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng. Nó giúp phát triển các thiết bị lưu trữ dữ liệu với mật độ cao, tốc độ truy cập nhanh và tiêu thụ năng lượng thấp. Hiểu biết sâu sắc về cơ chế đảo điện trở của vật liệu này là chìa khóa để tối ưu hóa hiệu suất của các công nghệ nhớ RRAM thế hệ mới.

II. Quy trình chế tạo và phương pháp phân tích

Nghiên cứu khóa luận sử dụng quy trình chế tạo linh kiện có cấu trúc Al/CSH/Ag/Thủy tinh với các bước công nghệ tiên tiến. Điện cực Ag được tổng hợp bằng phương pháp phún xạ magnetron DC, sau đó lắng đọng trên đế thủy tinh. Tiếp theo, lớp Cystamine được phủ lên để tạo thành màng mỏng. Các phương pháp phân tích được sử dụng bao gồm: XRD (nhiễu xạ tia X) để xác định cấu trúc tinh thể, SEM (kính hiển vi điện tử quét) để quan sát bề mặt, FTIR (phổ hồng ngoại biến đổi Fourier) và Raman để phân tích cấu trúc phân tử. Đặc biệt, đặc trưng dòng thế (I-V) được đo để khảo sát tính chất đảo điện trở.

2.1. Quy trình chế tạo điện cực và linh kiện

Quy trình chế tạo bắt đầu bằng việc tổng hợp điện cực Ag trên đế thủy tinh bằng phún xạ magnetron DC. Tiếp theo, lớp Cystamine được phủ lên điện cực Ag để tạo thành vật liệu hoạt động. Cuối cùng, điện cực Al được bằng hành để hoàn thành cấu trúc. Mỗi bước được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng của linh kiện và tối ưu hóa tính chất đảo điện trở.

2.2. Phương pháp phân tích bề mặt và cấu trúc

Phương pháp XRD xác định cấu trúc tinh thể của màng Ag. SEM cung cấp hình ảnh bề mặt chi tiết của các lớp phim. FTIR và Raman tiết lộ thông tin về liên kết hóa học và dao động phân tử. Các phương pháp này kết hợp giúp hiểu rõ về cấu trúc vật liệu và mối liên hệ giữa cấu trúc với tính chất đảo điện trở quan sát được.

III. Kết quả phân tích và cơ chế đảo điện trở

Kết quả phân tích XRD của màng Ag cho thấy cấu trúc tinh thể rõ ràng trên đế thủy tinh. Hình ảnh SEM thể hiện sự thay đổi bề mặt trước và sau khi phủ Cystamine. Phổ FTIR xác định các nhóm chức năng trong Cystamine, đặc biệt là các liên kết disulfide. Phổ Raman cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử. Khi khảo sát đặc trưng (I-V), linh kiện thể hiện rõ ràng tính chất đảo điện trở với sự chuyển đổi reversible giữa trạng thái điện trở cao (HRS) và thấp (LRS). Cơ chế đảo điện trở được giải thích thông qua quá trình hình thành và phá vỡ các filament dẫn điện trong vật liệu Cystamine khi áp dụng điện thế.

3.1. Đặc trưng dòng thế và các khoảng điện thế

Khảo sát đặc trưng (I-V) được thực hiện tại các khoảng thế khác nhau, đặc biệt là khoảng -0,2÷0,2V. Kết quả cho thấy tính chất đảo điện trở rõ rệt với sự chuyển đổi giữa HRS và LRS. Dòng điện thay đổi đáng kể khi thay đổi điện thế, chứng tỏ vật liệu có khả năng trở nhớ tốt, phù hợp cho ứng dụng bộ nhớ RRAM.

3.2. Cơ chế vật lý của đảo điện trở

Tính chất đảo điện trở của Cystamine được giải thích bởi cơ chế tạo/phá vỡ filament dẫn điện. Khi áp điện thế, các ion di chuyển trong vật liệu tạo thành các đường dẫn điện. Khi loại bỏ hoặc đảo chiều điện thế, các filament này bị phá vỡ, làm thay đổi điện trở. Quá trình này là reversible, cho phép linh kiện hoạt động như một bộ nhớ điện tử.

IV. Kết luận hạn chế và hướng phát triển

Khóa luận đã chứng minh thành công khả năng chế tạo linh kiện có tính chất đảo điện trở từ vật liệu Cystamine. Kết quả phân tích đa dạng (XRD, SEM, FTIR, Raman, I-V) cung cấp bằng chứng rõ ràng về cơ chế đảo điện trở của vật liệu. Linh kiện Al/CSH/Ag/Thủy tinh thể hiện đầy đủ các đặc tính cần thiết cho ứng dụng bộ nhớ RRAM. Tuy nhiên, nghiên cứu vẫn có những hạn chế như chưa tối ưu hóa hoàn toàn các điều kiện chế tạo và chưa khảo sát chu kỳ đảo điện trở lặp lại. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm: cải thiện hiệu suất linh kiện, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường, phát triển các vật liệu composite, và ứng dụng thực tế bộ nhớ RRAM trong các thiết bị điện tử.

4.1. Kết luận chính

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo và khảo sát tính chất đảo điện trở của Cystamine. Các kết quả cho thấy vật liệu này có tiềm năng lớn cho ứng dụng bộ nhớ RRAM. Cơ chế đảo điện trở được xác định rõ, mở ra những cơ hội để tối ưu hóa và phát triển công nghệ tiếp theo.

4.2. Hạn chế và đề xuất hướng phát triển

Những hạn chế hiện tại bao gồm chưa tối ưu hóa hoàn toàn các tham số chế tạo và chưa kiểm tra độ ổn định dài hạn. Các hướng phát triển tiếp theo nên tập trung vào: cải thiện hiệu suất đảo điện trở, nghiên cứu sâu về cơ chế vật lý, tìm kiếm các vật liệu bổ sung phù hợp, và thử nghiệm ứng dụng thực tế trong thiết bị bộ nhớ RRAM hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan về trở nhớ RRAM 1. Khái niệm bộ nhớ đảo điện trở RRAM Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của một tế bào RRAM. Resistance Random Acess Memory (RRAM) là một loại bộ nhớ không khả biến bên cạnh những loại bộ nhớ tiềm năng phát triển khác như bộ nhớ thay đổi pha (Phase-change random-access memory – PRAM), bộ nhớ điện sắt (Ferroelectric random-access memory – FeRAM), bộ nhớ từ trở (Magnetic random-access memory – MRAM) với nhiều những ưu điểm hơn so với những loại bộ nhớ đang phổ biến hiện tại như Flash (NOR-Flash, NAND-Flash) về thời gian ghi xóa và kích thước ô nhớ mà độ bền tương tự như đối với bộ nhớ Flash.

Bộ nhớ RRAM được cấu tạo giống như một tụ điện, bao gồm một lớp màng mỏng điện môi (Insulator) được chế tạo kẹp giữa hai điện cực (điện cực đỉnh và đáy) bằng kim loại (Metal) tạo thành cấu trúc Kim loại-Chất cách điện-Kim loại – MIM (Metal – Insulator – Metal) được mô tả như hình 1. Những ưu điểm nổi bật hơn so với các loại bộ nhớ khác: cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, khả năng xếp chặt rất cao (kích thước ô nhớ nhỏ), điện thế hoạt động thấp và khả năng chuyển trạng thái nhanh (~10 ns) [14]–[17]. SVTH: TRẦN NGỌC HIẾU MSSV: 1419097 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CBHD: TS. PHẠM KIM NGỌC 1.

Quá trình đảo điện trở thuận nghịch của bộ nhớ RRAM Hình 1.2 Sự đảo điện trở trong bộ nhớ đảo điện trở (a) Biến đổi đơn cực, (b) Biến đổi lưỡng cực. Hoạt động của RRAM xảy ra đơn giản, khi áp điện thế vào cấu trúc kim loại/điện môi (hoặc bán dẫn)/kim loại, điện trở của lớp điện môi thay đổi từ trạng thái điện trở cao (HRS) hay còn gọi là trạng thái đóng (OFF) sang trạng thái điện trở thấp (LRS) hay còn gọi là trạng thái mở (ON) và ngược lại (ứng với hai trạng thái “0” và “1” hay “True” hay “False” của 1bit bộ nhớ) [14], [16]. Sự chênh lệch giữa hai trạng thái điện trở (HRS/LRS) có thể đạt đến hơn 103 lần, quá trình đảo điện trở thuận nghịch (tốc độ ghi và xóa) rất nhanh (có thể đạt đến vài nano giây), tuổi thọ cao… mở ra hướng phát triển thế hệ bộ nhớ có kích thước rất nhỏ và dung lượng lớn, có thể thay thế bộ nhớ Flash trong tương lai. Do có sự khác nhau về các loại vật liệu nên sự đảo điện trở thường diễn ra theo hai dạng: biến đổi đơn cực (unipolar) và biến đổi lưỡng cực (bipolar).

SVTH: TRẦN NGỌC HIẾU MSSV: 1419097 3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CBHD: TS. PHẠM KIM NGỌC a. Sự đảo điện trở đơn cực (unipolar) Điện thế VS (chuyển đổi từ trạng thái OFF sang trạng thái ON) cùng chiều với điện thế VRS (chuyển đổi từ trạng thái ON sang trạng thái OFF). Hai điện thế VS và VRS có thể có độ lớn bằng nhau hoặc khác nhau.

Có nghĩa là sự chuyển đổi giữa hai trạng thái điện trở chỉ phụ thuộc vào độ lớn của điện thế áp vào cấu trúc, không phụ thuộc vào chiều phân cực của điện thế (Hình 1. Bao gồm hai quá trình: • Khi áp thế từ 0 → +V: Cấu trúc đang ở trạng thái điện trở cao (HRS, trạng thái OFF), khi tăng điện thế áp vào cấu trúc từ “0V” đến một giá trị nào đó “VS” (điện thế SET), dòng tăng đột biến tương ứng với điện trở của cấu trúc đột ngột chuyển từ trạng thái điện trở cao sang trạng thái điện trở thấp (LRS, trạng thái ON). Kết thúc quá trình này, cấu trúc đã chuyển sang trạng thái điện trở thấp. • Khi áp thế từ 0 → +V: Trong quá trình tiếp theo, cấu trúc đang ở trạng thái điện trở thấp, khi tăng điện thế từ “0V” đến một giá trị nào đó “VRS” (điện thế RESET), dòng giảm đột ngột, cấu trúc lại trở về trạng thái điện trở cao (HRS, trạng thái OFF).

Quá trình đảo điện trở diễn ra thuận nghịch tương ứng với sự chuyển đổi giữa hai trạng thái ON và OFF của 1bit bộ nhớ. Trong dạng biến đổi này, điện thế VS (chuyển đổi từ trạng thái OFF sang trạng thái ON) cùng chiều với điện thế VRS (chuyển đổi từ trạng thái ON sang trạng thái OFF). Hai điện thế VS và VRS có thể có độ lớn bằng nhau hoặc khác nhau. Có nghĩa là sự chuyển đổi giữa hai trạng thái điện trở chỉ phụ thuộc vào độ lớn của điện thế áp vào cấu trúc, không phụ thuộc vào chiều áp điện thế.

Sự đảo trạng thái điện trở như vậy, được gọi là sự đảo điện trở đơn cực. SVTH: TRẦN NGỌC HIẾU MSSV: 1419097 4 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CBHD: TS. PHẠM KIM NGỌC b. Đảo điện trở lưỡng cực (bipolar) Điện thế VS và điện thế VRS là các điện áp ngược chiều nhau.

Sự thay đổi giữa hai trạng thái điện trở không chỉ phụ thuộc vào độ lớn của điện thế áp vào mà còn phụ thuộc vào chiều phân cực của điện thế (Hình 1. Bao gồm bốn quá trình: • Khi áp thế từ 0 → -V: cấu trúc đang ở trạng thái điện trở cao (HRS), áp vào cấu trúc điện thế âm tăng dần từ “0V”, đến một giá trị nào đó “VS” (điện thế SET), cấu trúc chuyển từ trạng thái điện trở cao sang trạng thái điện trở thấp (LRS). Tiếp tục tăng điện thế cao hơn nữa cũng không làm cho điện trở của cấu trúc chuyển về trạng thái điện trở cao. • Khi áp thế từ -V → 0: điện thế âm được giảm dần trở về “0V”.

Sau quá trình này, cấu trúc vẫn giữ được trạng thái điện trở thấp. • Khi áp thế từ 0 → +V: áp điện thế dương tăng dần từ “0V”, cấu trúc đang ở trạng thái điện trở thấp, đến một giá trị nào đó “VRS” (điện thế RESET), cấu trúc lại chuyển từ trạng thái điện trở thấp sang trạng thái điện trở cao. Tiếp tục tăng điện thế cao hơn nữa cũng không làm cho điện trở của cấu trúc chuyển về trạng thái điện trở thấp. • Khi áp thế từ +V → 0: Khi điện thế dương được giảm về “0V”, cấu trúc ở trạng thái điện trở cao.

Khi bốn quá trình trên được lặp lại liên tục, điện trở của cấu trúc sẽ đảo thuận nghịch. Trong trường hợp này, điện thế VS và điện thế VRS được áp ngược chiều nhau. Có nghĩa là sự thay đổi giữa hai trạng thái không chỉ phụ thuộc vào độ lớn của điện thế áp vào mà còn phụ thuộc vào chiều áp điện thế. Cơ chế truyền dẫn điện tích Cơ chế truyền dẫn điện tích trong phần tử nhớ có thể được điều khiển bởi mặt phân giới điện cực/điện môi (hoặc bán dẫn) hoặc bởi khối - lớp điện môi (hoặc bán dẫn).

SVTH: TRẦN NGỌC HIẾU MSSV: 1419097 5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CBHD: TS. PHẠM KIM NGỌC ✓ Cơ chế dẫn được điều khiển bởi mặt phân giới điện cực/điện môi phụ thuộc hàng rào năng lượng tại mặt phân giới, khả năng trao đổi điện tích tại mặt phân giới, trạng thái điện tích tại mặt phân giới cũng như phản ứng hóa lý tại mặt phân giới. ✓ Cơ chế dẫn được điều khiển bởi khối phụ thuộc vào độ kết tinh, các loại khuyết tật, nồng độ tạp chất. tồn tại trong vật liệu điện môi/bán dẫn.3 Các cơ chế dẫn điện đối với linh kiện RRAM.

Các mô hình toán cho từng cơ chế [1]: • Cơ chế phát xạ nhiệt Schottky: 𝑞𝐸 −𝑞 (𝜑𝑏 − √ ) 4𝜋𝜀𝑟 𝜀0 𝐽 = 𝐴∗ 𝑇 2 exp⁡ 𝑘𝐵 𝑇 ( ) 𝐽 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của ln ( 2 ) theo 𝐸1/2 có dạng đường thẳng. 𝑇 • Cơ chế xuyên ngầm Fowler-Nordheim: Xảy ra khi rào thế đủ mỏng và điện trường đủ lớn, hàm sóng có thể xuyên qua rào thế. 𝑞3 𝐸2 −8𝜋(2𝑞𝑚∗𝑇 )1/2 3/2 𝐽= 𝑒𝑥𝑝 ( 𝜙 ) 8𝜋ℎ𝜙𝐵 3ℎ𝐸 SVTH: TRẦN NGỌC HIẾU MSSV: 1419097 6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CBHD: TS. PHẠM KIM NGỌC 𝐽 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của ln ( 2) theo 𝐸 −1 ⁡có dạng đường thẳng với hệ số góc 𝐸 âm.

• Cơ chế phát xạ Pool-Frenkel: Xảy ra khi điện tử nhận được kích thích nhiệt và có thể thoát ra khỏi bẫy đi vào vùng dẫn của chất điện môi. 𝑞𝐸 −𝑞 (𝜑𝑏 − √ ) 4𝜋𝜀𝑟 𝜀0 𝐽 = 𝑞𝜇𝑁𝐶 𝑒𝑥𝑝 𝑘𝐵 𝑇 ( ) 𝐽 Đồ thị đường biểu diễn mối quan hệ của ln(𝐽) theo 𝑇 −1 hay ln ( 2 ) theo 𝐸1/2 ⁡có dạng 𝐸 đường thẳng với hệ số góc âm. • Cơ chế dẫn theo định luật Ohm: Thường xuất hiện ở mức thế thấp trong đặc trưng I-V của màng mỏng điện môi. −𝐸𝑔 𝐽 = 𝜎𝐸 = 𝑞𝜇𝐸𝑁𝐶 𝑒𝑥𝑝 ( ) 2𝑘𝑇 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa 𝐽 theo 𝐸 là một đường thẳng tuyến tính có hệ số góc Slope = 1.

• Cơ chế dẫn giới hạn bởi điện tích không gian: Với vật liệu chứa nhiều sai hỏng trong cấu trúc, cơ chế truyền dẫn điện tích gồm ba cơ chế ứng với ba đặc trưng I-V: Cơ chế Ohmic 𝐼~𝑉, dòng dẫn giới hạn đầy bẫy (TFL), 𝐼~𝑉 𝑚 với 𝑚 > 2, dòng giới hạn không có bẫy, 𝐼~𝑉 2 , Child’s law. • Cơ chế dẫn đạn đạo: 4𝜀 2𝑞 3/2 𝐽𝐵 = √ 𝑉 9𝐿2 𝑚∗ SVTH: TRẦN NGỌC HIẾU MSSV: 1419097 7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CBHD: TS. PHẠM KIM NGỌC Đồ thị mật độ dòng J phụ thuộc vào thế áp vào cấu trúc với hệ số lũy thừa 1,5. Hay đồ thị biểu diễn mối quan hệ 𝐽𝐵 theo 𝑉 3/2 là một đường thẳng tuyến tính.

Vật liệu ứng dụng trong bộ nhớ đảo điện trở RRAM Tính cấp bách của việc tìm kiếm sự thay thế của bộ nhớ Flash làm tăng khả năng tìm kiếm các hiện tượng đảo điện trở (RS) trong các vật liệu khác, đặc biệt là trong vài thập kỷ qua. Nhiều loại vật liệu đã được tìm thấy thể hiện hành vi RS, có thể được phân loại thành các oxit hai nguyên tố, ba nguyên tố và phức tạp hơn như vật liệu perovskite, vật liệu chalcogen, nitrit, silic vô định hình carbon và một số vật liệu hữu cơ với ứng dụng cụ thể trong các thiết bị điện tử linh hoạt [18].4 Ôxít các nguyên tố (được tô màu) ứng dụng trong việc chế tạo linh kiện trở nhớ RRAM. SVTH: TRẦN NGỌC HIẾU MSSV: 1419097 8 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CBHD: TS. PHẠM KIM NGỌC 1.

Tổng quan về Cystamine Cystamine với công thức hóa học H2N-CH2-CH2-S-S-CH2-CH2-NH2.2HCl được ứng dụng rất nhiều trong sinh học [19], [20] do thể hiện những tính chất đặc biệt của nhóm disulfide (-S-S-) và nhóm amine (-NH2) cho việc sử dụng như một tác nhân liên kết với các phần tử sinh học và đang được nghiên cứu trong lĩnh vực cảm biến sinh học.5 Mô hình phân tử CSH (theo Acros Organic).