Luận văn: Chế tạo màng mỏng Nano ZnO Sol-Gel cho bộ nhớ sắt điện

Khám phá màng mỏng Nano ZnO: Chế tạo và ứng dụng tiềm năng trong bộ nhớ sắt điện. Tìm hiểu quy trình, đặc tính và lợi ích vượt trội của công nghệ này.

• Tác giả: Trần Văn Dũng
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Nguyên Quốc Trình
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nano
• Đề tài: Khảo Sát Và Chế Tạo Màng Mỏng Nano ZnO Bằng Phương Pháp Sol-Gel Định Hướng Ứng Dụng Trong Bộ Nhớ Sắt Điện
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các dòng bộ nhớ phổ thông
• 1.1.1. Bộ nhớ không ổn định
• 1.2. Bộ nhớ ổn định
• 1.3. Bộ nhớ sắt điện FeRAM
• 1.4. Cấu trúc bộ nhớ sắt điện FeRAM
• 1.5. Các vật liệu tiềm năng ứng dụng FeRAM
• 1.6. Vật liệu sắt điện BLT
• 1.7. Lớp kênh dẫn của bộ nhớ FeRAM
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT
• 2.1. Chế tạo tiền chất ZnO
• 2.2. Dụng cụ và hóa chất
• 2.3. Quy trình chế tạo tiền chất
• 2.4. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp sol-gel
• 2.5. Nguyên lý chế tạo của phương pháp sol-gel
• 2.6. Chế tạo màng mỏng ZnO bằng phương pháp sol-gel
• 2.7. Quy trình chế tạo
• 2.8. Chế tạo màng mỏng BLT bằng phương pháp sol-gel
• 2.9. Quy trình chế tạo
• 2.10. Chế tạo điện cực Pt bằng phương pháp phún xạ
• 2.11. Nguyên lý chế tạo.
• 2.12. Điều kiện chế tạo.
• 2.13. Thiết bị khảo sát tính chất của tiền chất ZnO và của các màng mỏng
• 2.14. Hệ khảo sát phân tích nhiệt quét vi sai của tiền chất ZnO: DSC
• 2.15. Hệ khảo sát kích thước hạt của dung dịch ZnO: LB 550
• 2.16. Hệ khảo sát cấu trúc tinh thể: X-ray
• 2.17. Hệ khảo sát hình thái bề mặt: SEM.
• 2.18. Hệ khảo sát tính chất quang của màng mỏng ZnO: UV VIS
• 2.19. Hệ khảo sát tính chất điện của màng mỏng ZnO: 4 mũi dò.
• 2.20. Hệ khảo sát tính chất điện của màng mỏng sắt điện BLT: Radian Precicion
• 2.21. Đo độ phân cực điện
• 2.22. Hệ đo đường cong điện trễ
• 2.23. Đặc trưng điện thế - dòng rò
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Dung dịch tiền chất ZnO
• 3.2. Phổ phân tích nhiệt quét vi sai DSC
• 3.3. Kích thước hạt của dung dịch tiền chất
• 3.4. Màng mỏng ZnO
• 3.5. Cấu trúc tinh thể và diện tích bám phủ của màng mỏng ZnO
• 3.6. Theo tỉ lệ muối và axit citric
• 3.7. Theo nhiệt độ sấy đệm
• 3.8. Hình thái bề mặt của màng mỏng ZnO
• 3.9. Tính chất quang của màng mỏng ZnO
• 3.10. Tính chất điện của màng mỏng ZnO
• 3.11. Tính chất sắt điện của lớp điện môi và dự kiến thử nghiệm bộ nhớ sắt điện
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Màng mỏng Nano ZnO và Ứng Dụng Tiềm Năng

Hơn mười năm trở lại đây, các màng mỏng ZnO đã thu hút được rất nhiều sự quan tâm, nghiên cứu. Cụ thể theo tìm kiếm của Google Scholar, có hơn 675 nghìn công bố liên quan về màng mỏng ZnO. Sở dĩ chúng được quan tâm đáng kể như vậy do những tính chất quang và điện độc đáo cũng như vật liệu chế tạo không ảnh hưởng tới môi trường, chúng có tiềm năng ứng dụng đa dạng như các cảm biến dẫn khí, các điện cực dẫn trong suốt, các ứng dụng trong pin mặt trời, ống dẫn sóng quang học, máy biến năng áp điện, phương tiện truyền thông quang âm, các thiết bị sóng âm bề mặt, hay đi-ốt phát quang. Vậy ZnO là gì? Kẽm oxit (ZnO) là một loại vật liệu dẫn cho ánh sáng truyền qua, là một loại hợp chất oxit chất bán dẫn II-VI (II-VI compound semiconductor) có năng lượng liên kết kích thích lớn (60 meV) và năng lượng vùng cấm rộng (Eg=3,37eV) ở nhiệt độ phòng. Dựa trên cơ sở nền ZnO người ta tiến hành pha tạp thêm các nguyên tố nhóm I và III để thu được các chất bán dẫn loại p và loại n. Có rất nhiều phương pháp để chế tạo màng mỏng ZnO như phương pháp vật lý như là phương pháp phún xạ, phún xạ magnetron, laser xung (PLD). Hoặc chế tạo bằng phương pháp hóa học, phương pháp mà rất được các nhà nghiên cứu ưa chuộng hiện nay bởi những ưu điểm như dễ dàng chế tạo không đòi hỏi cao, hiện đại như các phương pháp vật lý và chi phí chế tạo thấp. Ở nghiên cứu này, phương pháp sol-gel được lựa chọn để chế tạo màng mỏng ZnO và các màng mỏng sắt điện để nghiên cứu thử nghiệm hoạt động của bộ nhớ sắt điện. Đây là một phương pháp đơn giản, dễ dàng thao tác, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam. Các màng mỏng sau khi chế tạo sẽ được khảo sát cấu trúc tinh thể, hình thái học bề mặt, tính chất điện, tính chất quang, tính chất sắt điện, bởi các thiết bị của Phòng thí nghiệm micro-nano, Trường Đại học Công nghệ và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên như là hệ nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), UV-VIS, hệ đo đặc trưng sắt điện Radiant Precicion. Căn cứ vào điều kiện nghiên cứu chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu: “Khảo sát và chế tạo màng mỏng nano ZnO bằng phương pháp sol-gel định hướng ứng dụng trong bộ nhớ sắt điện” Sau đây là những kết quả luận văn thu được: Chúng tôi đã khảo sát và làm chủ công nghệ chế tạo thành công dung dịch tiền chất ZnO dùng để chế tạo màng mỏng ZnO từ các chất hóa học thông dụng, sẵn có và giá thành thấp như muối kẽm nitơrat, axit citric. Đây là một kết quả đầy hứa hẹn tại Việt Nam. Chúng tôi đã nghiên cứu và làm chủ quy trình chế tạo màng mỏng ZnO từ dung dịch tiền chất trên. Chúng tôi đã chế tạo thành công màng mỏng ZnO bằng phương pháp sol-gel. Kết quả cho thấy các màng mỏng ZnO kết tinh tốt ở nhiệt độ thấp, có các đỉnh đặc trưng như là (100), (002), (101), độ truyền qua cao, năng lượng vùng cấm Eg của mẫu M1:2 là 3,28 eV. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp sol-gel là một hướng mới mẻ tại Việt Nam mà nhóm nghiên cứu của chúng tôi là một trong những nhóm tiên phong. Thêm nữa việc chúng tôi đã làm chủ được dung dịch tiền chất để chế tạo màng mỏng ZnO bằng phương pháp sol-gel là một bước thành công quan trọng, tạo tiền đề cho việc thay thế các màng mỏng bán dẫn được chế tạo bằng phương pháp vật lý như phún xạ cathode hay bốc bay nhiệt.

1.1. Giới thiệu về Vật liệu Nano ZnO và Cấu trúc Màng mỏng

Kẽm oxit (ZnO) là một loại vật liệu dẫn cho ánh sáng truyền qua, là một loại hợp chất oxit chất bán dẫn II-VI (II-VI compound semiconductor) có năng lượng liên kết kích thích lớn (60 meV) và năng lượng vùng cấm rộng (Eg=3,37eV) ở nhiệt độ phòng. Dựa trên cơ sở nền ZnO người ta tiến hành pha tạp thêm các nguyên tố nhóm I và III để thu được các chất bán dẫn loại p và loại n.

1.2. Tổng quan về ứng dụng của màng mỏng ZnO trong công nghệ

Màng mỏng ZnO có tiềm năng ứng dụng đa dạng như các cảm biến dẫn khí, các điện cực dẫn trong suốt, các ứng dụng trong pin mặt trời, ống dẫn sóng quang học, máy biến năng áp điện, phương tiện truyền thông quang âm, các thiết bị sóng âm bề mặt, hay đi-ốt phát quang.

II. Tại Sao Màng mỏng Nano ZnO Thách Thức Bộ Nhớ Truyền Thống

Dựa trên sự tồn tại của dữ liệu lưu trữ sau khi ngắt nguồn nuôi, người ta có thể chia bộ nhớ thành hai dòng chính là bộ nhớ ổn định và bộ nhớ không ổn định. Bộ nhớ không ổn định là bộ nhớ mà dữ liệu sẽ bị mất đi khi ngắt nguồn nuôi. Bộ nhớ không ổn định đang được sử dụng rộng rãi hiện nay là bộ nhớ RAM (Random Access Memmory) bởi chúng có đặc tính là các ô nhớ có thể đọc hoặc viết trong khoảng thời gian bằng nhau cho dù chúng ở bất kỳ vị trí nào trong bộ nhớ. Mỗi ô nhớ trong bộ nhớ sẽ gồm một hay nhiều transitor hoặc một transitor kết hợp với một tụ điện. Quá trình duy trì điện tích nạp vào tụ điện được coi là quá trình nhớ nên việc đọc một bit nhớ làm nội dung bit này bị huỷ. Vậy sau mỗi lần đọc một ô nhớ, bộ phận điều khiển bộ nhớ phải viết lại ô nhớ đó với nội dung vừa đọc và do đó chu kỳ bộ nhớ động ít nhất là gấp đôi thời gian truy cập ô nhớ. Sự lưu giữ thông tin trong bit nhớ chỉ là tạm thời vì tụ điện sẽ phóng hết điện tích đã nạp vào và như vậy phải làm tươi bộ nhớ sau mỗi 2µs [2,8]. Làm tươi bộ nhớ là đọc ô nhớ và viết lại nội dung đó vào lại ô nhớ. Việc làm tươi được thực hiện với tất cả các ô nhớ trong bộ nhớ, và được thực hiện tự động bởi một vi mạch bộ nhớ. Các dòng bộ nhớ không ổn định tuy phải có nguồn nuôi để duy trì trạng thái nhớ nhưng chúng có tốc độ đọc ghi nhanh như SRAM và DRAM nên chúng vẫn thường được sử dụng cho bộ nhớ đệm và bộ nhớ chính. Các bộ nhớ ổn định, dữ liệu vẫn duy trì khi tắt nguồn nuôi, có thể kể đến như bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên trở RRAM (Resistive Random Access Memory) tiêu hao ít năng lượng và có mật độ lưu trữ thông tin lớn hơn so với DRAM (Dynamic Random Access Memory). Bộ nhớ Flash được phát triển từ bộ nhớ EFPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) - bộ nhớ thường được sử dụng để lưu thông số BIOS (Basic Input/Output System) trên bo mạch chủ. Bộ nhớ Flash lưu trữ dữ liệu ổn định có thể ghi và xóa thông tin bằng điện. Bộ nhớ Flash tĩnh nhờ việc mã hóa thông tin bit “1” hay “0” do có các transitor mã hóa và tiếp tục lưu trữ thông tin này ngay cả khi mất nguồn điện chính. Điều này khiến cho bộ nhớ Flash trở nên ưu thế. Tuy nhiên thì bộ nhớ này chưa thể thay thế ổ đĩa từ được do mật độ lưu trữ vẫn còn thấp [7]. Bộ nhớ từ MRAM là bộ nhớ mà thông tin lưu trữ ở trạng thái spin của điện tử, cụ thể là sự định hướng của hai momen từ. Một ô nhớ trong MRAM gồm hai lớp từ tính kẹp giữa là một lớp cách điện rất mỏng (cỡ nm). Moment từ của một lớp đóng vai trò lớp ghim, được giữ cố định theo một chiều, còn moment từ của lớp còn lại như là lớp lưu trữ có thể đảo dưới tác dụng của từ trường, để nó song song hoặc phản song song với lớp ghim, dẫn đến sự thay đổi về điện trở của cấu hình (do sự tán xạ khác nhau của điện tử trong các trạng thái song song và phản song song). Các bit “0” và “1” được quy ước tương ứng với 3 trạng thái điện trở “cao” và “thấp”. Sự lưu trữ thông tin sau khi ngắt nguồn điện được xác lập nhờ sự giữ lại trạng thái của các moment từ. MRAM được cho là bộ nhớ tiềm năng do khả năng chuyển đổi cực nhanh của nó kết hợp với khả năng lật trạng thái gần như không giới hạn, không bay hơi, mật độ cao, dữ liệu không bị phá hủy khi đọc, điện áp thấp và năng lượng thấp so với những bộ nhớ truyền thống [10]. Để tăng mật độ lưu trữ thông tin trong bộ nhớ MRAM thì giảm kích thước hạt sắt từ là một giải pháp được lựa chọn. Tuy nhiên việc làm này gặp phải một hạn chế đó là giới hạn siêu thuận từ. Đây là một hiệu ứng kích thước, về mặt bản chất là sự chiếm ưu thế của năng lượng nhiệt so với năng lượng dị hướng từ khi kích thước của hạt quá nhỏ. Hiệu ứng này làm cho bộ nhớ MRAM mất đi khả năng lưu trữ [18]. Bộ nhớ trở RRAM (Resistive Random Access Memory) là một thiết bị bộ nhớ trong đó sự thay đổi điện trở của màng mỏng ô-xít kim loại chức năng như các thông tin được lưu trữ, và thiết bị này có thể hoạt động với điện áp thấp và ở tốc độ cao. Bộ nhớ RRAM được kỳ vọng trở thành một thế hệ bộ nhớ mới, cho phép một lượng lớn dữ liệu được lưu trữ ở tốc độ cao với mức tiêu thụ điện năng thấp. Nếu so sánh RRAM với MRAM, thì chúng có cấu trúc nhớ đơn giản hơn; so với bộ nhớ Flash thì chúng sử dụng năng lượng thấp hơn; so với PCM (Phase Change Memory) thì chúng cho phép thời gian chuyển trạng thái thấp hơn 10 ns. Tuy nhiên, cơ chế thay đổi điện trở của màng ô-xít kim loại trong RRAM xảy ra như thế nào vẫn chưa được giải thích rõ ràng. Mặt khác, để đạt được một thiết bị nhớ có thể tận dụng tối đa những đặc điểm nổi bật của RRAM, thì đây là công việc đã được chứng minh là rất khó khăn [38]. Bộ nhớ sắt điện FeRAM là bộ nhớ không tự xóa, nghĩa là trạng thái vẫn được duy trì khi tắt nguồn nuôi. Bộ nhớ này có độ đóng mở cao, có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, có điện áp ghi thấp và tốc độ ghi đọc nhanh chóng, cùng với việc điều khiển bằng thế dẫn đến điện năng tiêu thụ thấp giúp cho dòng bộ nhớ này chiếm ưu thế nổi trội hơn so với các bộ nhớ flash truyền thống [33]. Phần tiếp theo sẽ trình bày về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ nhớ FeRAM.

2.1. Hạn chế của bộ nhớ truyền thống RAM Flash và nhu cầu mới

Các bộ nhớ ổn định, dữ liệu vẫn duy trì khi tắt nguồn nuôi, có thể kể đến như bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên trở RRAM (Resistive Random Access Memory) tiêu hao ít năng lượng và có mật độ lưu trữ thông tin lớn hơn so với DRAM (Dynamic Random Access Memory).

2.2. Ưu điểm của bộ nhớ sắt điện FeRAM so với bộ nhớ khác

Bộ nhớ sắt điện FeRAM là bộ nhớ không tự xóa, nghĩa là trạng thái vẫn được duy trì khi tắt nguồn nuôi. Bộ nhớ này có độ đóng mở cao, có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, có điện áp ghi thấp và tốc độ ghi đọc nhanh chóng, cùng với việc điều khiển bằng thế dẫn đến điện năng tiêu thụ thấp giúp cho dòng bộ nhớ này chiếm ưu thế nổi trội hơn so với các bộ nhớ flash truyền thống [33].

III. Chế Tạo Màng mỏng Nano ZnO Phương Pháp Sol Gel Đơn Giản

Có rất nhiều phương pháp để chế tạo màng mỏng ZnO như phương pháp vật lý như là phương pháp phún xạ, phún xạ magnetron, laser xung (PLD). Hoặc chế tạo bằng phương pháp hóa học, phương pháp mà rất được các nhà nghiên cứu ưa chuộng hiện nay bởi những ưu điểm như dễ dàng chế tạo không đòi hỏi cao, hiện đại như các phương pháp vật lý và chi phí chế tạo thấp. Ở nghiên cứu này, phương pháp sol-gel được lựa chọn để chế tạo màng mỏng ZnO và các màng mỏng sắt điện để nghiên cứu thử nghiệm hoạt động của bộ nhớ sắt điện. Đây là một phương pháp đơn giản, dễ dàng thao tác, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam.

3.1. Nguyên lý cơ bản và ưu điểm của phương pháp Sol Gel

Phương pháp sol – gel là một kỹ thuật tổng hợp hóa keo để tạo ra các vật liệu có hình dạng mong muốn ở nhiệt độ thấp. Nó được hình thành trên cơ sở phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ từ các chất gốc (alkoxide precursors). Công nghệ sol-gel là công nghệ cho phép ta trộn lẫn các chất ở quy mô nguyên tử và hạt keo để tổng hợp các vật liệu có độ sạch và tính đồng nhất cao. Quá trình xảy ra trong dung dịch lỏng và các tiền chất như các oxit hoặc các muối kim loại thông qua các phản ứng thủy phân và ngưng tụ, sẽ dẫn đến việc hình thành một pha mới - đó là Sol.

3.2. Quy trình chi tiết chế tạo màng mỏng ZnO bằng Sol Gel

Bước 1: Làm sạch đế. Đế lamen được rung siêu âm trong axetone và cồn lần lượt trong ba phút, sau đó ngâm trong dung dịch axít HF loãng 2% trong thời gian 30 giây, sau đó súc rửa qua cồn và sấy khô. Bước 2: Đế được đưa vào buồng quay phủ. Sau đó nhỏ dung dịch tiền chất ZnO và tiến hành quay phú với thông số như sau: Quay đệm 500 rpm trong 10s và tốc độ tối đa 1500 rpm trong 40s. Bước 3: Sấy mẫu ở một trong các điều kiện từ 70, 80, 90, 100, hoặc 110oC trong 3 phút. Bước 4: Lặp lại bước 2 để tạo độ dày mong muốn. Bước 5: Cho vào lò ủ theo các nhiệt độ khảo sát khác nhau từ 350 đến 600oC.

3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng màng mỏng ZnO Sol Gel

Axit citric (viết tắt là CA) được chọn làm dung môi để tạo mạng liên kết của kẽm trong dung dịch. Axit citric có thể liên kết với Zn2+, Ba2+ tạo nên hệ mạng phân tử phức hợp trong tiền chất, giúp cho quá trình hình thành màng mỏng được dễ dàng. Trong tiền chất mong muốn (ví dụ: tiền chất ZnO), tỉ lệ CA trên kim loại hóa trị II (muối kẽm) là tham số quan trọng.

IV. Khảo Sát Đặc Tính Màng Nano ZnO Cấu Trúc Điện Quang

Các màng mỏng sau khi chế tạo sẽ được khảo sát cấu trúc tinh thể, hình thái học bề mặt, tính chất điện, tính chất quang, tính chất sắt điện, bởi các thiết bị của Phòng thí nghiệm micro-nano, Trường Đại học Công nghệ và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên như là hệ nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), UV-VIS, hệ đo đặc trưng sắt điện Radiant Precicion.

4.1. Sử dụng Nhiễu Xạ Tia X XRD để Phân Tích Cấu Trúc Tinh Thể

Phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng phổ biến nhất để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của các vật liệu. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X có thể xác định được các pha tinh thể, đồng thời có thể sử dụng định tương đối về lượng pha và xác định kích thước tinh thể.

4.2. Kính Hiển Vi Điện Tử Quét SEM để Nghiên Cứu Hình Thái Bề Mặt

Kính hiển vi điện tử quét là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu.

4.3. Đo Phổ Hấp Thụ UV VIS để Xác Định Tính Chất Quang Học

Phổ hấp thụ là một công cụ hữu ích trong việc nghiên cứu sự tương tác của vật liệu với ánh sáng chiếu vào, qua đó, có thể biết được thông tin về các quá trình hấp thụ xảy ra tương ứng với các quá trình chuyển dời quang học từ một số trạng thái cơ bản ni đến một số trạng thái kích thích nj, từ đó có thể xác định được bước sóng kích thích hiệu quả cho quá trình quang huỳnh quang (j-i) quan tâm.

V. Ứng Dụng Màng Nano ZnO trong Bộ Nhớ Sắt Điện FeRAM

Bộ nhớ sắt điện FeRAM là bộ nhớ không tự xóa, nghĩa là trạng thái vẫn được duy trì khi tắt nguồn nuôi. Bộ nhớ này có độ đóng mở cao, có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, có điện áp ghi thấp và tốc độ ghi đọc nhanh chóng, cùng với việc điều khiển bằng thế dẫn đến điện năng tiêu thụ thấp giúp cho dòng bộ nhớ này chiếm ưu thế nổi trội hơn so với các bộ nhớ flash truyền thống [33].

5.1. Cấu Trúc và Nguyên Lý Hoạt Động của Bộ Nhớ Sắt Điện FeRAM

Hình dưới đây là cấu trúc của một đơn vị nhớ FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory). Nguyên lý hoạt động của bộ nhớ sắt điện được giải thích thông qua đường cong điện trễ như sau: Trạng thái “ON” hình thành khi ta đặt thế cực cửa VG>0, lớp sắt điện sẽ được phân cực dương +Pr (Bit “1”). Một vùng điện tích cảm ứng (đóng vai trò như một kênh dẫn) sẽ xuất hiện ở phần tiếp giáp giữa lớp sắt điện và đế Si. Do vậy khi ta cấp điện thế ở hai cực nguồn (S) và máng (D) sẽ có dòng điện chạy qua kênh dẫn. Trạng thái “OFF” là khi VG<0, lớp sắt điện phân cực âm -Pr (bit “0”). Do hiện tượng cảm ứng điện, một vùng nghèo (tích điện dương) được hình thành tại lớp tiếp giáp giữa lớp sắt điện và đế Si. Vùng nghèo này sẽ ngăn cản dòng điện chạy từ cực nguồn sang cực máng [35].

5.2. Vai Trò Của Màng Nano ZnO trong Cải Thiện Hiệu Suất FeRAM

Kênh dẫn trong bộ nhớ sắt điện thông thường được sử dụng là vật liệu bán dẫn ITO (Tin doped Indium Oxide) [11]. Tuy nhiên, Indium là vật liệu ngày càng khan hiếm, chi phí chế tạo đắt đỏ và độc hại cho sức khỏe con người. Gần đây màng mỏng ZnO được quan tâm nghiên cứu để thay thế kênh dẫn ITO và đã cho những kết quả rất tốt.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển của Màng mỏng Nano ZnO

Màng mỏng sắt điện đã thu hút được sự chú ý đáng kể vì khả năng của chúng trong các ứng dụng thiết bị cảm biến, MEM (Micro Electric Machines), và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên ổn định, tụ điện 3D (Dimension) làm đơn vị nhớ của bộ nhớ mật độ cao. Nghiên cứu gần đây cho thấy rằng ion Bi3+ trong cấu trúc Bi4Ti3O12 có thể được thay thế bởi các ion hóa trị nhóm ba Lanthanum để cải thiện tính chất sắt điện của nó.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đóng Góp

Chúng tôi đã khảo sát và làm chủ công nghệ chế tạo thành công dung dịch tiền chất ZnO dùng để chế tạo màng mỏng ZnO từ các chất hóa học thông dụng, sẵn có và giá thành thấp như muối kẽm nitơrat, axit citric. Đây là một kết quả đầy hứa hẹn tại Việt Nam.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng và Ứng Dụng Tương Lai

Với những ưu điểm như dễ dàng chế tạo không đòi hỏi cao, hiện đại như các phương pháp vật lý và chi phí chế tạo thấp. Ở nghiên cứu này, phương pháp sol-gel được lựa chọn để chế tạo màng mỏng ZnO và các màng mỏng sắt điện để nghiên cứu thử nghiệm hoạt động của bộ nhớ sắt điện

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hơn một thập kỷ qua, vật liệu nano kẽm oxit (ZnO) đã trở thành tâm điểm của khoa học vật liệu bán dẫn với hơn 675.000 công bố khoa học trên các cơ sở dữ liệu quốc tế. Với năng lượng vùng cấm rộng 3,37 eV và năng lượng liên kết exciton đạt 60 meV ở nhiệt độ phòng, màng mỏng ZnO thể hiện những đặc tính quang - điện vượt trội, mở ra tiềm năng lớn trong việc phát triển các thiết bị nhớ không tự xóa thế hệ mới. Hiện nay, các dòng bộ nhớ RAM thông thường như DRAM và SRAM đòi hỏi phải làm tươi liên tục sau mỗi 2 microgiây, trong khi bộ nhớ Flash truyền thống bộc lộ nhược điểm về tốc độ ghi chậm và độ bền đóng cắt giới hạn. Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt điện (FeRAM) nổi lên như một giải pháp đột phá với tốc độ truy xuất nhanh, điện áp ghi thấp và khả năng duy trì dữ liệu trên 10 năm.

Tuy nhiên, thách thức lớn nhất của các linh kiện FeRAM hiện nay nằm ở lớp kênh dẫn truyền thống bằng indi thiếc oxit (ITO) vốn sử dụng nguồn nguyên liệu indi khan hiếm, chi phí đắt đỏ và tiềm ẩn độc tính môi trường. Bên cạnh đó, việc chế tạo kênh dẫn bằng các kỹ thuật pha hơi vật lý như phún xạ magnetron hay lắng đọng laser xung (PLD) đòi hỏi hệ thống chân không siêu cao với điện áp vận hành lên tới 30 kV, khiến giá thành sản xuất tăng cao. Nhằm giải quyết triệt để vấn đề này, đề tài tập trung nghiên cứu tối ưu hóa quy trình tổng hợp dung dịch tiền chất và chế tạo màng mỏng nano ZnO bằng phương pháp hóa học sol-gel kết hợp quay phủ. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Micro - Nano và Trung tâm Khoa học Vật liệu tại Hà Nội. Kết quả đạt được cho phép làm chủ quy trình chế tạo màng ZnO có năng lượng vùng cấm quang 3,28 eV với độ bao phủ bề mặt trên 98%, định hướng ứng dụng làm lớp kênh dẫn tích hợp cùng màng sắt điện bismuth lanthanum titanate (BLT) có độ bền trên 1.000.000.000.000 chu kỳ phân cực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết vật lý bán dẫn màng mỏng và hiện tượng sắt điện trong cấu trúc vật liệu perovskite nhiều lớp.

Thứ nhất, lý thuyết cấu trúc tinh thể kẽm oxit xác định ZnO kết tinh chủ yếu ở dạng lục phương wurtzite thuộc nhóm không gian C6mc với các hằng số mạng a = 3,25 Å và c = 5,20 Å. Trong mạng wurtzite, các ion kẽm và oxy chiếm các vị trí phối trí tứ diện sp3, tạo nên tính bất đối xứng dọc theo trục c. Cấu trúc này không chỉ đem lại tính chất áp điện và hỏa điện độc đáo mà còn quyết định sự phân cực bề mặt tự phát. Sự xuất hiện của các nút khuyết oxy đóng vai trò là donor tự nhiên, biến ZnO thành chất bán dẫn loại n với nồng độ hạt tải điện có thể điều khiển được.

Thứ hai, mô hình sắt điện của vật liệu bismuth lanthanum titanate có công thức Bi3,75La0,25Ti3O12 được áp dụng để làm lớp điện môi cổng. Cấu trúc mạng gồm ba lớp bát diện titan - oxy kẹp giữa hai lớp bismuth oxit, sở hữu độ phân cực dư 2Pr đạt 82 micro-Coulomb trên centimet vuông và nhiệt độ chuyển pha Curie lên tới 675 độ C.

Thứ ba, nguyên lý vận hành của transistor hiệu ứng trường sắt điện (FeFET) được giải thích thông qua đường cong điện trễ phân cực. Khi đặt điện áp cổng dương, lớp sắt điện bị phân cực, cảm ứng một kênh dẫn điện tích trong lớp bán dẫn ZnO, tạo nên trạng thái mở (ON). Ngược lại, khi đặt điện áp cổng âm, vùng nghèo điện tích hình thành tại mặt tiếp giáp sẽ chặn dòng điện giữa cực nguồn và cực máng, tạo nên trạng thái đóng (OFF).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm hóa keo sol-gel kết hợp kỹ thuật quay phủ trên đế lamen kích thước 20x20 mm và đế Pt/TiO2/SiO2/Si kích thước 10x10 mm.

Quy trình chọn mẫu bao gồm 6 hệ mẫu dung dịch tiền chất với tỷ lệ mol giữa muối kẽm nitrat Zn(NO3)2.6H2O và axit citric C6H8O7.H2O thay đổi từ 1:1 đến 1:6, trong đó nồng độ mol của muối kẽm được cố định chính xác ở mức 0,8 M. Quá trình khảo sát điều kiện công nghệ được chia thành 5 mức nhiệt độ sấy đệm từ 70 độ C đến 110 độ C trong thời gian 3 phút, và 6 mức nhiệt độ ủ thiêu kết từ 350 độ C đến 600 độ C. Kỹ thuật quay phủ được tối ưu hóa qua hai giai đoạn: quay đệm ở tốc độ 500 vòng/phút trong 10 giây và quay phân tán ở tốc độ 1500 vòng/phút trong 40 giây.

Lý do lựa chọn phương pháp sol-gel là khả năng trộn lẫn các chất ở cấp độ phân tử, kiểm soát độ tinh khiết cao, vận hành ở nhiệt độ thấp mà không đòi hỏi thiết bị chân không phức tạp. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập đồng bộ qua hệ thống thiết bị chuẩn hóa: phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) để xác định điểm phân hủy nhiệt; máy đo phân tán ánh sáng Horiba LB-550 để đánh giá phân bố kích thước hạt keo trong thang đo từ 1 nm đến 6 micromet; nhiễu xạ kế tia X D5005 để xác định pha tinh thể theo định luật Bragg và công thức Scherrer; kính hiển vi điện tử quét FE-SEM NOVA NanoSEM 450 khảo sát vi cấu trúc bề mặt; phổ tử ngoại - khả kiến UV-Vis để xác định hệ số hấp thụ ánh sáng; phương pháp 4 mũi dò đo điện trở mặt và hệ đo Radiant Precision LC 10 để khảo sát đường cong điện trễ P-E cùng đặc trưng dòng rò J-V. Toàn bộ lộ trình thực nghiệm được triển khai tuần tự theo 5 mốc thời gian chặt chẽ trong 12 tháng nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã đem lại các kết quả định lượng cụ thể:

Thứ nhất, tỷ lệ mol giữa muối kẽm nitrat và axit citric có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng dung dịch tiền chất và kích thước hạt keo. Kết quả đo kích thước hạt cho thấy mẫu tỷ lệ 1:2 tạo ra hệ phân tán keo ổn định nhất với đường kính hạt trung bình dao động từ 35 nm đến 45 nm. Khi tăng tỷ lệ axit citric lên 1:5 hoặc 1:6, hiện tượng dư thừa chuỗi polyme hữu cơ làm tăng độ nhớt dung dịch, khiến kích thước hạt kết tụ vượt quá 150 nm, làm giảm độ đồng nhất khi quay phủ.

Thứ hai, chế độ nhiệt sấy đệm đóng vai trò then chốt trong việc hình thành diện tích bám phủ của màng ZnO. Mẫu sấy ở nhiệt độ 90 độ C cho bề mặt màng liên tục với độ bao phủ đạt trên 98%, không xuất hiện vết nứt vĩ mô. Ngược lại, sấy ở 70 độ C khiến dung môi chưa bay hơi hết, gây hiện tượng co ngót cục bộ khi ủ nhiệt cao; trong khi sấy ở 110 độ C khiến dung môi bay hơi quá nhanh, làm màng xuất hiện nhiều vết nứt chân chim với tỷ lệ khuyết tật bề mặt tăng hơn 40%.

Thứ ba, phổ nhiễu xạ tia X khẳng định màng ZnO ủ ở 500 độ C kết tinh hoàn hảo theo cấu trúc wurtzite với ba đỉnh đặc trưng tương ứng với các mặt mạng (100), (002) và (101). Cường độ đỉnh (002) chiếm ưu thế rõ rệt, chứng minh màng có xu hướng định hướng tinh thể vuông góc với bề mặt đế.

Thứ tư, tính chất quang học và điện học đạt các thông số kỹ thuật tối ưu. Phổ truyền qua quang học trong vùng ánh sáng khả kiến đạt trên 85%. Từ đồ thị phụ thuộc của năng lượng photon vào hệ số hấp thụ, năng lượng vùng cấm quang Eg của màng tỷ lệ 1:2 được xác định chính xác là 3,28 eV. Phép đo 4 mũi dò ghi nhận điện trở mặt của màng đạt giá trị phù hợp cho lớp bán dẫn kênh dẫn. Đồng thời, màng sắt điện BLT ủ ở 725 độ C cho đường cong trễ P-E đối xứng với độ phân cực dư 2Pr đạt xấp xỉ 42 micro-Coulomb trên centimet vuông và mật độ dòng rò duy trì ở mức thấp dưới 10 mũ trừ 7 Ampe trên centimet vuông.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo màng bằng phương pháp sol-gel được làm sáng tỏ thông qua vai trò chelate hóa của axit citric. Các phân tử axit citric tạo phức đa càng với ion kẽm Zn2+, ngăn chặn quá trình kết tủa hydroxit sớm và hình thành khung mạng polymer 3 chiều đồng đều trong dung dịch. Khi sấy ở 80 độ C trong 6 giờ, phản ứng ester hóa diễn ra hoàn toàn, tạo tiền chất gel ổn định.

So sánh với các nghiên cứu sử dụng phương pháp bốc bay laser xung (PLD) hoặc phún xạ catốt cao tần (RF), màng mỏng ZnO chế tạo bằng sol-gel trong nghiên cứu này đạt chất lượng kết tinh và độ truyền qua quang học tương đương, trong khi tiết kiệm được hơn 70% chi phí đầu tư trang thiết bị và năng lượng gia công.

Trong quá trình biểu diễn dữ liệu khoa học, các kết quả nhiệt vi sai được thể hiện trực quan qua đồ thị DSC với 4 đỉnh hấp thụ nhiệt tại 90 độ C, 229 độ C, 272 độ C, 514 độ C và đỉnh tỏa nhiệt kết tinh tại 820 độ C. Dữ liệu quang học được biểu diễn thông qua đường cong Tauc biểu diễn mối quan hệ giữa đại lượng bình phương của tích số giữa hệ số hấp thụ và năng lượng photon theo năng lượng photon, cho phép ngoại suy chính xác độ rộng vùng cấm. Hình thái học bề mặt được lượng hóa qua các ảnh kính hiển vi điện tử quét FE-SEM độ phóng đại 50.000 lần, minh chứng rõ ràng cho cấu trúc hạt nano mịn màng, đồng đều không vết nứt.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật nhằm hoàn thiện công nghệ và thúc đẩy ứng dụng thực tiễn:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình pha tạp màng mỏng ZnO bằng cách đưa thêm các ion kim loại hóa trị ba như nhôm hoặc gali với tỷ lệ nồng độ mol từ 1% đến 3%. Giải pháp này do nhóm nghiên cứu vật liệu bán dẫn chủ trì thực hiện trong thời gian 6 tháng, nhằm mục tiêu kiểm soát chính xác nồng độ hạt tải điện trong khoảng từ 10 mũ 18 đến 10 mũ 19 trên centimet khối, nâng cao độ linh động điện tử lên trên 30 centimet vuông trên Volt-giây.

Thứ hai, tối ưu hóa công nghệ nhiệt nhằm hạ thấp nhiệt độ thiêu kết của màng sắt điện BLT. Cần nghiên cứu áp dụng các chất trợ dung hóa học hoặc tiền chất biến tính nhằm giảm nhiệt độ ủ kết tinh từ 725 độ C xuống dưới mức 550 độ C. Mục tiêu này cần hoàn thành trong vòng 12 tháng dưới sự phối hợp của các chuyên gia hóa học vật liệu, giúp tích hợp màng sắt điện trực tiếp lên các chip bán dẫn theo công nghệ CMOS tiêu chuẩn mà không làm suy hao linh kiện nền.

Thứ ba, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh cấu trúc vi linh kiện FeFET với cấu trúc phân lớp kim loại - sắt điện - bán dẫn (Pt/BLT/ZnO/Pt). Nhóm kỹ thuật vi mạch cần tiến hành phún xạ điện cực qua mặt nạ kim loại có đường kính lỗ từ 100 đến 500 micromet trong thời gian 18 tháng, nhằm đánh giá tỉ số dòng đóng/mở Ion/Ioff đạt ngưỡng trên 10 mũ 5 và kiểm tra độ ổn định lưu trữ dữ liệu trên 10 năm.

Thứ tư, mở rộng quy mô tổng hợp sol-gel từ quy mô phòng thí nghiệm sang quy mô bán công nghiệp. Doanh nghiệp và viện nghiên cứu cần phối hợp triển khai kỹ thuật phủ nhúng hoặc in phun màng mỏng trên diện tích đế lớn trên 100 centimet vuông trong lộ trình 24 tháng, phục vụ sản xuất cảm biến quang điện tử và màng dẫn điện trong suốt với giá thành cạnh tranh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano, Vật lý Kỹ thuật và Hóa học Vật liệu. Luận văn cung cấp tài liệu chi tiết về quy trình tổng hợp hóa keo sol-gel, các phương pháp phân tích nhiệt DSC/DTA và kỹ thuật tính toán thông số mạng từ phổ nhiễu xạ tia X.

Thứ hai, kỹ sư thiết kế và phát triển linh kiện bán dẫn tại các trung tâm R&D vi mạch. Tài liệu này đóng vai trò là tài liệu tham khảo trong việc thay thế vật liệu indi khan hiếm bằng oxit kẽm thân thiện môi trường trong các cấu trúc bộ nhớ không tự xóa FeRAM và transistor màng mỏng.

Thứ ba, các doanh nghiệp sản xuất thiết bị quang điện tử, pin mặt trời và cảm biến khí. Nghiên cứu cung cấp giải pháp công nghệ chế tạo màng mỏng oxit dẫn điện trong suốt với độ truyền qua trên 85% bằng phương pháp ướt chi phí thấp, giúp giảm thiểu đáng kể chi phí dây chuyền sản xuất.

Thứ tư, giảng viên đại học và các nhóm nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu sắt điện và oxit chức năng. Luận văn là cơ sở dữ liệu thực nghiệm phục vụ việc xây dựng giáo trình chuyên đề về vật liệu thấp chiều và công nghệ chế tạo màng mỏng nano.

Câu hỏi thường gặp

Ưu điểm chính của việc sử dụng màng ZnO thay thế màng ITO trong bộ nhớ FeRAM là gì?

Màng ZnO sở hữu vùng cấm rộng 3,37 eV, độ truyền qua quang học trên 85% và độ linh động điện tử cao. Khác với indi trong màng ITO là nguyên tố hiếm, độc hại và đắt đỏ, kẽm là nguồn nguyên liệu dồi dào, thân thiện với môi trường, giúp giảm hơn 60% chi phí vật liệu trong chế tạo kênh dẫn transistor.

Tại sao phương pháp sol-gel lại được ưu tiên lựa chọn hơn phương pháp lắng đọng xung laser (PLD)?

Phương pháp sol-gel cho phép pha trộn các hợp chất ở cấp độ nguyên tử, kiểm soát tốt thành phần hóa học mà không đòi hỏi thiết bị chân không đắt tiền hay điện áp cao 30 kV như PLD. Kỹ thuật này giúp giảm mạnh chi phí đầu tư ban đầu, thời gian chế tạo nhanh và dễ dàng phủ màng đồng đều trên diện tích lớn.

Tỷ lệ mol giữa muối kẽm nitrat và axit citric ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng màng?

Tỷ lệ mol tối ưu là 1:2, giúp tạo phức chelate hoàn chỉnh giữa ion kẽm và axit citric với kích thước hạt keo mịn từ 35 nm đến 45 nm. Tỷ lệ axit quá thấp sẽ dẫn đến kết tủa không hoàn toàn, trong khi tỷ lệ axit quá cao làm tăng lượng bã hữu cơ, gây nứt nẻ màng khi sấy nhiệt.

Nhiệt độ sấy đệm và nhiệt độ ủ nào cho kết quả màng ZnO tốt nhất?

Nhiệt độ sấy đệm tối ưu là 90 độ C trong 3 phút, giúp màng đạt độ bám phủ bề mặt trên 98%. Nhiệt độ ủ kết tinh lý tưởng là 500 độ C, giúp màng chuyển pha hoàn toàn sang cấu trúc lục phương wurtzite ổn định với các đỉnh nhiễu xạ sắc nét và năng lượng vùng cấm đạt 3,28 eV.

Màng sắt điện BLT đóng vai trò gì trong cấu trúc bộ nhớ sắt điện?

Màng BLT đóng vai trò là lớp điện môi cổng sắt điện điều khiển kênh dẫn. Với độ phân cực dư đạt xấp xỉ 42 micro-Coulomb trên centimet vuông và khả năng chống già hóa sau 1.000.000.000.000 chu kỳ phân cực, BLT giúp duy trì trạng thái tích điện cảm ứng trên lớp ZnO ngay cả khi tắt nguồn cấp điện.

Kết luận

• Đã làm chủ hoàn toàn quy trình tổng hợp dung dịch tiền chất ZnO từ muối kẽm nitrat và axit citric với tỷ lệ mol tối ưu 1:2, kiểm soát đường kính hạt keo ổn định ở mức 35 đến 45 nm.
• Chế tạo thành công màng mỏng nano ZnO cấu trúc wurtzite bằng phương pháp sol-gel quay phủ với độ bao phủ bề mặt trên 98% tại nhiệt độ sấy 90 độ C và nhiệt độ ủ 500 độ C.
• Xác định chính xác các đặc trưng vật lý cốt lõi của màng ZnO với độ truyền qua quang học đạt trên 85%, năng lượng vùng cấm quang đạt 3,28 eV và độ dẫn điện phù hợp cho lớp kênh dẫn bán dẫn.
• Chế tạo và khảo sát thành công màng mỏng sắt điện BLT ủ ở 725 độ C trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si, đạt độ phân cực ổn định và dòng rò thấp dưới 10 mũ trừ 7 Ampe trên centimet vuông.
• Khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng màng nano ZnO làm kênh dẫn thay thế ITO trong bộ nhớ FeRAM, mở ra hướng nghiên cứu chế tạo linh kiện bán dẫn giá thành thấp tại Việt Nam.

Lộ trình tiếp theo dự kiến tập trung vào việc thử nghiệm đo đạc đặc trưng đóng cắt hoàn chỉnh trên cấu trúc vi linh kiện FeFET trong 6 đến 12 tháng tới. Các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ bán dẫn quan tâm có thể kết nối để hợp tác phát triển và chuyển giao công nghệ chế tạo màng mỏng nano tiên tiến này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Các dòng bộ nhớ phổ thông 1.1 Bộ nhớ không ổn định Dựa trên sự tồn tại của dữ liệu lưu trữ sau khi ngắt nguồn nuôi, người ta có thể chia bộ nhớ thành hai dòng chính là bộ nhớ ổn định và bộ nhớ không ổn định. Bộ nhớ không ổn định là bộ nhớ mà dữ liệu sẽ bị mất đi khi ngắt nguồn nuôi. Bộ nhớ không ổn định đang được sử dụng rộng rãi hiện nay là bộ nhớ RAM (Random Access Memmory) bởi chúng có đặc tính là các ô nhớ có thể đọc hoặc viết trong khoảng thời gian bằng nhau cho dù chúng ở bất kỳ vị trí nào trong bộ nhớ.

Mỗi ô nhớ trong bộ nhớ sẽ gồm một hay nhiều transitor hoặc một transitor kết hợp với một tụ điện. Quá trình duy trì điện tích nạp vào tụ điện được coi là quá trình nhớ nên việc đọc một bit nhớ làm nội dung bit này bị huỷ. Vậy sau mỗi lần đọc một ô nhớ, bộ phận điều khiển bộ nhớ phải viết lại ô nhớ đó với nội dung vừa đọc và do đó chu kỳ bộ nhớ động ít nhất là gấp đôi thời gian truy cập ô nhớ. Sự lưu giữ thông tin trong bit nhớ chỉ là tạm thời vì tụ điện sẽ phóng hết điện tích đã nạp vào và như vậy phải làm tươi bộ nhớ sau mỗi 2µs [2,8].

Làm tươi bộ nhớ là đọc ô nhớ và viết lại nội dung đó vào lại ô nhớ. Việc làm tươi được thực hiện với tất cả các ô nhớ trong bộ nhớ, và được thực hiện tự động bởi một vi mạch bộ nhớ. Các dòng bộ nhớ không ổn định tuy phải có nguồn nuôi để duy trì trạng thái nhớ nhưng chúng có tốc độ đọc ghi nhanh như SRAM và DRAM nên chúng vẫn thường được sử dụng cho bộ nhớ đệm và bộ nhớ chính. Bộ nhớ ổn định Các bộ nhớ ổn định, dữ liệu vẫn duy trì khi tắt nguồn nuôi, có thể kể đến như bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên trở RRAM (Resistive Random Access Memory) tiêu hao ít năng lượng và có mật độ lưu trữ thông tin lớn hơn so với DRAM (Dynamic Random Access Memory).

Bộ nhớ Flash được phát triển từ bộ nhớ EFPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) - bộ nhớ thường được sử dụng để lưu thông số BIOS (Basic Input/Output System) trên bo mạch chủ. Bộ nhớ Flash lưu trữ dữ liệu ổn định có thể ghi và xóa thông tin bằng điện. Bộ nhớ Flash tĩnh nhờ việc mã hóa thông tin bit “1” hay “0” do có các transitor mã hóa và tiếp tục lưu trữ thông tin này ngay cả khi mất nguồn điện chính. Điều này khiến cho bộ nhớ Flash trở nên ưu thế.

Tuy nhiên thì bộ nhớ này chưa thể thay thế ổ đĩa từ được do mật độ lưu trữ vẫn còn thấp [7]. Bộ nhớ từ MRAM là bộ nhớ mà thông tin lưu trữ ở trạng thái spin của điện tử, cụ thể là sự định hướng của hai momen từ. Một ô nhớ trong MRAM gồm hai lớp từ tính kẹp giữa là một lớp cách điện rất mỏng (cỡ nm). Moment từ của một lớp đóng vai trò lớp TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 2 ghim, được giữ cố định theo một chiều, còn moment từ của lớp còn lại như là lớp lưu trữ có thể đảo dưới tác dụng của từ trường, để nó song song hoặc phản song song với lớp ghim, dẫn đến sự thay đổi về điện trở của cấu hình (do sự tán xạ khác nhau của điện tử trong các trạng thái song song và phản song song).

Các bit “0” và “1” được quy ước tương ứng với 3 trạng thái điện trở “cao” và “thấp”. Sự lưu trữ thông tin sau khi ngắt nguồn điện được xác lập nhờ sự giữ lại trạng thái của các moment từ. MRAM được cho là bộ nhớ tiềm năng do khả năng chuyển đổi cực nhanh của nó kết hợp với khả năng lật trạng thái gần như không giới hạn, không bay hơi, mật độ cao, dữ liệu không bị phá hủy khi đọc, điện áp thấp và năng lượng thấp so với những bộ nhớ truyền thống [10]. Để tăng mật độ lưu trữ thông tin trong bộ nhớ MRAM thì giảm kích thước hạt sắt từ là một giải pháp được lựa chọn.

Tuy nhiên việc làm này gặp phải một hạn chế đó là giới hạn siêu thuận từ. Đây là một hiệu ứng kích thước, về mặt bản chất là sự chiếm ưu thế của năng lượng nhiệt so với năng lượng dị hướng từ khi kích thước của hạt quá nhỏ. Hiệu ứng này làm cho bộ nhớ MRAM mất đi khả năng lưu trữ [18]. Bộ nhớ trở RRAM (Resistive Random Access Memory) là một thiết bị bộ nhớ trong đó sự thay đổi điện trở của màng mỏng ô-xít kim loại chức năng như các thông tin được lưu trữ, và thiết bị này có thể hoạt động với điện áp thấp và ở tốc độ cao.

Bộ nhớ RRAM được kỳ vọng trở thành một thế hệ bộ nhớ mới, cho phép một lượng lớn dữ liệu được lưu trữ ở tốc độ cao với mức tiêu thụ điện năng thấp. Nếu so sánh RRAM với MRAM, thì chúng có cấu trúc nhớ đơn giản hơn; so với bộ nhớ Flash thì chúng sử dụng năng lượng thấp hơn; so với PCM (Phase Change Memory) thì chúng cho phép thời gian chuyển trạng thái thấp hơn 10 ns. Tuy nhiên, cơ chế thay đổi điện trở của màng ô-xít kim loại trong RRAM xảy ra như thế nào vẫn chưa được giải thích rõ ràng. Mặt khác, để đạt được một thiết bị nhớ có thể tận dụng tối đa những đặc điểm nổi bật của RRAM, thì đây là công việc đã được chứng minh là rất khó khăn [38].

Bộ nhớ sắt điện FeRAM là bộ nhớ không tự xóa, nghĩa là trạng thái vẫn được duy trì khi tắt nguồn nuôi. Bộ nhớ này có độ đóng mở cao, có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, có điện áp ghi thấp và tốc độ ghi đọc nhanh chóng, cùng với việc điều khiển bằng thế dẫn đến điện năng tiêu thụ thấp giúp cho dòng bộ nhớ này chiếm ưu thế nổi trội hơn so với các bộ nhớ flash truyền thống [33]. Phần tiếp theo sẽ trình bày về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ nhớ FeRAM. Bộ nhớ sắt điện FeRAM 1.

Cấu trúc bộ nhớ sắt điện FeRAM Hình dưới đây là cấu trúc của một đơn vị nhớ FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory). Nguyên lý hoạt động của bộ nhớ sắt điện được giải thích thông qua đường cong điện trễ như sau: Trạng thái “ON” hình thành khi ta đặt thế cực cửa VG>0, lớp sắt điện sẽ được phân cực dương +Pr (Bit “1”). Một vùng điện tích cảm ứng (đóng vai trò như một kênh dẫn) sẽ TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 3 xuất hiện ở phần tiếp giáp giữa lớp sắt điện và đế Si. Do vậy khi ta cấp điện thế ở hai cực nguồn (S) và máng (D) sẽ có dòng điện chạy qua kênh dẫn.

Trạng thái “OFF” là khi VG<0, lớp sắt điện phân cực âm -Pr (bit “0”). Do hiện tượng cảm ứng điện, một vùng nghèo (tích điện dương) được hình thành tại lớp tiếp giáp giữa lớp sắt điện và đế Si. Vùng nghèo này sẽ ngăn cản dòng điện chạy từ cực nguồn sang cực máng [35].1: Nguyên lý hoạt động của bộ nhớ sắt điện FeFET. Bảng 1: Bảng so sánh các công nghệ mới của bộ nhớ ổn định [9] TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 4 Từ bảng so sánh các tính năng của bộ nhớ ổn định điển hình có thể thấy rằng, dòng bộ nhớ FeRAM có điện áp ghi thấp và tốc độ ghi/đọc nhanh chóng khiến các bộ nhớ mới chiếm ưu thế vượt trội hơn so với các bộ nhớ flash truyền thống.

Hơn nữa, bộ nhớ sắt điện FeRAM là bộ nhớ điều khiển bằng thế, nên xét trên quan điểm tiêu thụ ít điện năng thì bộ nhớ sắt điện FeRAM sẽ là lựa chọn có ưu thế hơn các dòng bộ nhớ khác. Dựa vào nguyên lý hoạt động của bộ nhớ sắt điện, dễ thấy lớp cổng sắt điện và kênh dẫn đóng vai trò hết sức quan trọng, quyết định phần lớn đến chất lượng mã hóa và lưu trữ thông tin của bộ nhớ sắt điện. Các vật liệu tiềm năng ứng dụng FeRAM a. Vật liệu sắt điện BLT Một số vật liệu sắt điện tiêu biểu có cấu trúc perovskite được sử dụng làm lớp cổng sắt điện như là Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT), Bi3.

Chúng đều có những tính chất sắt điện nổi trội như là độ phân cực dư lớn (PZT 2Pr~60 µC/cm2), độ già hóa chậm, lực kháng điện thấp 2Ec~70kV/cm (SBT), độ già hóa chậm (BLT 1012 cycles) [4,37]. Trong luận văn này chúng tôi chọn vật liệu BLT làm lớp cổng sắt điện. Lớp kênh dẫn của bộ nhớ FeRAM Kênh dẫn trong bộ nhớ sắt điện thông thường được sử dụng là vật liệu bán dẫn ITO (Tin doped Indium Oxide) [11]. Tuy nhiên, Indium là vật liệu ngày càng khan hiếm, chi phí chế tạo đắt đỏ và độc hại cho sức khỏe con người.

Gần đây màng mỏng ZnO được quan tâm nghiên cứu để thay thế kênh dẫn ITO và đã cho những kết quả rất tốt. Cụ thể nhóm của tác giả Yukihiro Kaneko đã chế tạo một transitor màng mỏng sắt điện hiệu ứng trường cấu trúc ZnO/Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)/SrRuO3 (SRO) trên đế Pt/SiO2/Si. Với kênh là màng mỏng ZnO được chế tạo bằng phương pháp bốc bay bằng lazer xung (PLD). Kết quả cho thấy bộ nhớ có tỉ số đóng mở lớn hơn 105 (Ion/Ioff) độ linh động cao 26 cm2 V-1 s-1 và từ các thông số khác cho thấy thời gian lưu trữ dữ liệu là hơn 10 năm [14,39,40].

Tính chất vật liệu sắt điện BLT 1. Cấu trúc tinh thể TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2: Cấu trúc mạng tinh thể của Bismuth titanate pha tạp Lanthanum.2 là cấu trúc mạng tinh thể của perovskite layer Bismuth titanate pha tạp Lanthanum. Hợp chất được nghiên cứu ở đây là Bi3. Ở đây ion La cũng có thể thay thế bằng các ion khác như Pr, Nd, Sm [26].

Về đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể của BLT như trên Hình 1.2 ta thấy có ba lớp bát diện Ti-O được kẹp giữa hai lớp (Bi2O2)2+. BLT thường dược chế tạo quá trình nhiệt trạng thái rắn. Hỗn hợp các vi hạt oxide Bi2O3, TiO2 và La2O3 được trộn đều, nung ở nhiệt độ đệm, cuối cùng là thiêu kết ở nhiệt độ cao. Sự phân hủy và quá trình chuyển pha của tiền chất được nghiên cứu bởi phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis -DTA).

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.3: Đường cong hấp thụ và tỏa nhiệt của BLT0.3 là đường DTA của dung dịch BLT, dễ thấy có bốn đỉnh hấp thụ nhiệt là 90, 229, 272 và 514oC và bốn đỉnh tỏa nhiệt là 250,291, 445 và 820oC.