Nghiên cứu cố định đầu dò DNA lên bề mặt sợi vàng làm cảm biến phát hiện m RNA IL 8 (tóm tắt)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN CÔNG NGHỆ NANO PHẠM KIM NGỌC PHẠM KIM NGỌC CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CƠ CHẾ TRUYỀN DẪN ĐIỆN TÍCH VÀ ĐẢO ĐIỆN TRỞ THUẬN NGHỊCH TƢƠNG ỨNG CỦA MÀNG MỎNG Ơ XÍT CRƠM HƢỚNG ĐẾN ỨNG DỤNG TRONG BỘ NHỚ ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: Khoa học Vật liệu Mã số chuyên ngành: 62 44 01 22 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Tp Hồ Chí Minh, năm 2017 i Cơng trình hoàn thành tại: Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: P PGS.TS PHAN BÁCH THẮNG P PGS.TS TRẦN CAO VINH Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Cửu Khoa Phản biện 2: PGS.TS Hoàng Trang Phản biện 3: TS Trần Tuấn Anh Phản biện độc lập 1: PGS.TS Phạm Thành Huy Phản biện độc lập 2: TS Trần Tuấn Anh Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên vào lúc …… giờ… ngày… tháng ……năm…… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM Thư viện Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên ii Mở đầu Luận án trình bày nội dung kết việc nghiên cứu chế truyền dẫn điện tích chế đảo điện trở thuận nghịch màng mỏng CrOx hướng đến ứng dụng nhớ đảo điện trở truy cập ngẫu nhiên (RRAM) Mặc dù nhớ RRAM nghiên cứu từ năm 1960, với phát triển lĩnh vực nhớ điện tử, yêu cầu dung lượng lưu trữ, tốc độ ghi xóa, độ bền hoạt động khả tích hợp với cơng nghệ bán dẫn (CMOS) thách thức lớn nhà khoa học Song song đó, nhà khoa học tìm hiểu nghiên cứu vật liệu mới, đặc biệt xít kim loại, có tiềm ứng dụng RRAM với đặc tính phương pháp chế tạo đơn giản, hiệu suất cao, hoạt động ổn định chi phí thấp để đưa vào ứng dụng Cho đến thời điểm bắt đầu luận án (2013) nghiên cứu ô xít crơm ứng dụng RRAM cịn (chỉ có cơng bố[3] [4]) Các ảnh hưởng vật liệu điện cực, cấu trúc hợp thức xít crơm, vai trị nút khuyết ơxi chưa khảo sát Bên cạnh đó, mơ hình giải thích chế truyền dẫn điện tích chế đảo điện trở xít crơm cịn nhiều tranh cãi chưa khai thác đầy đủ Nội dung luận án chia thành chương với chương lý thuyết tổng quan chương thực nghiệm Chương trình bày tổng quan cấu trúc, phân loại nhớ đảo điện trở thuận nghịch RRAM đặc điểm vật liệu xít crơm Chương trình bày chế truyền dẫn điện tích chế đảo điện trở thuận nghịch phổ biến cấu trúc RRAM với chế điều khiển điện cực lớp vật liệu xít Chương trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng thông số thực nghiệm (áp suất riêng phần ơxi, độ dày lớp xít, nhiệt độ ủ, vật liệu điện cực) lên cấu trúc, hình thái bề mặt đặc trưng đảo điện trở thuận nghịch màng mỏng CrOx Chương trình bày kết phân tích luận giải chế truyền dẫn điện tích chế đảo điện trở thuận nghịch tương ứng màng mỏng CrOx với cấu trúc Ag/CrOx/FTO đảo điện trở theo chiều kim đồng hồ cấu trúc Ti/CrOx/FTO đảo điện trở theo chiều ngược chiều kim đồng hồ Chương trình bày kết nghiên cứu trình đảo điện trở thuận nghịch màng mỏng CrOx kỹ thuật kính hiển vi lực nguyên tử dùng đầu dò dẫn điện Pt (C – AFM) Kết chương xác định dung lượng lưu trữ liệu màng mỏng CrOx đồng thời khẳng định lại phân tích biện luận chương Chƣơng Tổng quan nhớ bán dẫn 1.1 Giới thiệu chung nhớ Dựa số lần ghi liệu, nhớ bán dẫn chia thành hai loại gồm nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAMs) nhớ đọc (ROMs) Dựa vào tính lưu trữ lâu dài thông tin (retention), RAMs phân loại chi tiết gồm nhớ khả biến (volatile – bị thông tin nguồn điện bị tắt đột ngột) không khả biến (non-volatile – trì thơng tin nguồn điện bị tắt đột ngột) Hình 1.1 Phân loại loại nhớ bán dẫn Các loại nhớ sử dụng phổ biến nhớ tĩnh (SRAM), nhớ động (DRAM) nhớ FLASH Các loại nhớ nghiên cứu có tiềm ứng dụng tương lai tính chất sắt điện (Ferroelectric random access memory - FRAM), từ tính (Magnetic random access memory - MRAM), biến đổi pha (Phase change random access memory - PRAM) điện trở (Resistive random access memory - RRAM) 1.2 Bộ nhớ đảo điện trở thuận nghịch RRAM RRAM linh kiện điện tử có hai cực có cấu trúc tụ điện: lớp màng mỏng điện môi hay bán dẫn xen hai lớp màng mỏng điện cực (điện cực đỉnh đáy) tạo thành cấu trúc kim loại – điện môi – kim loại (MIM) Bộ nhớ RRAM phân loại vào đặc trưng đảo điện trở theo điện áp phân cực chế điều khiển trình đảo điện trở thuận nghịch Hình 1.2 Cấu trúc nhớ RRAM 1.3 Các yêu cầu quan trọng nhớ RRAM Đối với nhớ RRAM, yêu cầu quan trọng bao gồm: độ đồng (độ ổn định giá trị điện trở theo thời gian hoạt động phần tử nhớ với nhau), độ bền (số lần ghi/ xóa/ đọc liệu), thời gian lưu trữ liệu, khả lưu trữ nhiều dung lượng khác tùy theo điện áp điều khiển, mật độ cao khả tích hợp với cơng nghệ CMOS 1.4 Vật liệu xít crơm Crơm ngun tố kim loại chuyển tiếp thuộc nhóm 6, có nhiều số ơxi hóa +1, +2, +3, +4, +5, +6 Vì thế, crơm xít gồm nhiều hợp thức Cr2O, CrO, Cr2O3, CrO2, CrO3, Cr3O4, Cr2O5, Cr8O21…[24]–[26] Vật liệu xít crơm (CrOx) nghiên cứu cho ứng dụng màng mỏng học [21], quang xúc tác[22], hình hiển thị [23], nhớ từ tính (MRAM) [25], [28], nhớ điện trở (RRAM) [3][4] Chƣơng Cơ chế truyền dẫn điện tích đảo điện trở thuận nghịch cấu trúc RRAM Cơ chế truyền dẫn điện tích phần tử nhớ RRAM điều khiển mặt phân giới điện cực/điện môi (hoặc bán dẫn) khối - lớp điện mơi (hoặc bán dẫn) Hình 2.1 Phân loại chế truyền dẫn điện tích phần tử nhớ RRAM 2.1 Cơ chế dẫn đƣợc điều khiển điện cực Cơ chế dẫn điều khiển mặt phân giới điện cực/điện môi phụ thuộc hàng rào lượng mặt phân giới, khả trao đổi điện tích mặt phân giới, trạng thái điện tích mặt phân giới phản ứng hóa lý mặt phân giới Cơ chế dẫn điều khiển điện cực bao gồm phát xạ nhiệt hay phát xạ Schottky xuyên hầm Fowler – Nordheim 2.2 Cơ chế dẫn đƣợc điều khiển khối Cơ chế dẫn điều khiển khối phụ thuộc vào độ kết tinh, loại khuyết tật, nồng độ tạp chất tồn vật liệu điện môi/bán dẫn Cơ chế dẫn giới hạn khối bao gồm Phát xạ Poole – Frenkel, dẫn theo định luật Ơm, dịng dẫn giới hạn điện tích khơng gian dòng dẫn đạn đạo 2.3 Cơ chế đảo điện trở thuận nghịch cấu trúc RRAM Cơ chế điều khiển q trình đảo điện trở thuận nghịch phân loại theo phương thức dẫn trạng thái điện trở thấp (LRS): chế theo đường dẫn (filament) chế theo mặt tiếp giáp (interface) Cơ chế theo đường dẫn bao gồm chế nhiệt hóa, chế điện hóa điện cực kim loại, chế thay đổi hóa trị Cơ chế xuất nhiều vật liệu khác nhau, thành phần tạo nên đường dẫn khác tùy theo vật liệu, bao gồm cầu nano kim loại (nanobridges), nút khuyết ôxi (tạo nên kênh dẫn, sai hỏng) đường ốc đảo kim loại (islands) Trong chế đảo điện trở theo mặt tiếp giáp, dòng dẫn qua lớp màng mỏng phụ thuộc vào độ cao rào lớp bán dẫn lớp điện cực Độ cao rào thay đổi ảnh hưởng điện trường, dẫn đến hai trạng thái điện trở khác cấu trúc RRAM 2.4 Nghiên cứu chế đảo điện trở thuận nghịch theo đƣờng dẫn kỹ thuật C – AFM C – AFM kỹ thuật phân tích kính hiển vi lực nguyên tử dùng đầu dò dẫn điện, ghi nhận đồng thời hình thái học bề mặt tín hiệu dịng dẫn điện đầu dị bề mặt mẫu phụ thuộc vào điện áp vào cấu trúc Gần đây, C-AFM sử dụng để nghiên cứu chế đảo điện trở RRAM có nhiều cơng bố khoa học liên quan với nhiều loại vật liệu màng mỏng khác nhau, đặc biệt màng mỏng ô xit kim loại TiO2 [13], ZnO [70], CuxO [71], HfO2 [72], Al2O3 [73], WO3[57], NiO [74], [75], Chƣơng Ảnh hƣởng thông số thực nghiệm lên đặc trƣng đảo điện trở thuận nghịch màng mỏng CrOx Trong chương này, màng mỏng xít crơm (CrOx) chế tạo phương pháp phún xạ phản ứng magnetron DC với thông số chế tạo khác nhau, bao gồm áp suất riêng phần ơxi hỗn hợp khí (O2/Ar+O2), độ dày màng, điều kiện xử lý nhiệt sau chế tạo Cấu trúc đảo điện trở màng mỏng CrOx chế tạo với điện cực đáy FTO Pt, điện cực đỉnh Ag Ti Từ đó, ảnh hưởng thông số chế tạo đến đặc điểm chế đảo điện trở thuận nghịch màng mỏng CrOx khảo sát phương pháp thực nghiệm kết hợp với việc phân tích, luận giải Các kết đạt sau: 3.1 Ảnh hƣởng áp suất riêng phần ôxi Bảng 3.1 Bảng thông số chế tạo màng mỏng CrOx theo áp suất riêng phần ơxi Nội Tỉ lệ Ơxi Khoảng Độ Áp suất Nhiệt dung Màng O2/(O2+A cách Bia dày phún xạ độ đế khảo mỏng r) – Đế màng (mTorr) (oC) sát (%) (cm) (nm) CrOx @ 30 100 Theo áp 6% O2 suất CrOx @ riêng 30 100 20 20% O2 phần CrOx @ ôxi 30 100 40 40% O2 Cấu trúc màng mỏng CrOx có tồn đồng thời pha Cr2O3 (đỉnh A, B, C, D), CrO2 (đỉnh E), Cr8O21 (đỉnh F) pha Cr2O3 chiếm ưu Áp suất khí riêng phần ơxi cao có cạnh tranh phát triển pha Cr8O21 CrO2 Màng mỏng CrOx lắng đọng áp suất khí riêng phần ôxi cao có xu hướng xếp chặt Đặc trưng I – V tỷ lệ khí có tính trễ ổn định, theo dạng lưỡng cực Giá trị điện trở trạng thái cao có xu hướng giảm nhẹ lắng đọng áp suất khí ôxi riêng phần cao Trong đó, giá trị điện trở trạng thái thấp cấu trúc khơng thay đổi Vì vậy, tỷ số đảo điện trở RR có xu hướng giảm tăng áp suất khí riêng phần ơxi Hình 3.2 Các đỉnh dao động Raman màng mỏng CrOx thu từ hàm phân bố Gaussian (a) 6% O2, (b) 20% O2 (c) 40% O2 Hình 3.3 Hình thái học bề mặt (a) đế FTO màng mỏng CrOx lắng đọng theo áp suất riêng phần ôxi khác (a) 6% O2, (b) 20% O2 (c) 40% O2 đế FTO 3.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ ủ Bảng 3.7 Các thông số chế tạo màng mỏng CrOx theo nhiệt độ ủ khác Nội dung khảo sát Theo điều kiện ủ nhiệt khơng khí Màng mỏng CrOx @ RT CrOx @ 300 CrOx @ 500 Áp suất phún xạ (mTorr) Tỉ lệ Ôxy (%) Khoảng cách Bia – Đế (cm) Nhiệt độ đế (oC) Độ dày màng (nm) Nhiệt độ ủ (oC) Thời gian ủ (giờ) 30 100 0 30 100 300 30 100 500 Hình 3.14 Các đỉnh dao động Raman màng mỏng CrOx theo nhiệt độ ủ thu từ hàm phân bố Gaussian: (a) chưa ủ nhiệt, (b) ủ nhiệt 300 oC (c) ủ nhiệt 500 oC Hình 3.16 Hình thái học bề mặt màng mỏng CrOx đế FTO: (a) chưa ủ nhiệt, (b) ủ nhiệt 300 oC (c) ủ nhiệt 500 oC 12 Nhiệt độ nung cao pha Cr2O3 tăng pha Cr8O21, CrO2 giảm xuống có chuyển pha từ pha khơng bền Cr8O21 pha CrO2 sang pha bền Cr2O3 Kết phân tích Raman XPS cho kết xác nhận tương tự Hình thái học bề mặt màng mỏng CrOx phụ thuộc vào nhiệt độ ủ Bề mặt màng mỏng CrOx @ RT CrOx @ 300 có nhiều lỗ trống khe hở hạt Màng mỏng CrOx @ 500 có mật độ lỗ trống giảm hạt sít chặt Hình 3.17 Đặc trưng I - V đảo điện trở thuận nghịch màng mỏng CrOx (a) chưa ủ nhiệt, (b) ủ nhiệt 300 oC (c) ủ nhiệt 500 oC cấu trúc Ag/CrOx/FTO Các cấu trúc Ag/CrOx/FTO thể tính chất đảo điện trở thuận nghịch ổn định phụ thuộc lớn vào nhiệt độ ủ: Cấu trúc với màng mỏng CrOx @ RT CrOx @ 300 cho kết đảo điện trở lưỡng cực theo chiều kim đồng hồ khoảng - 1,5 V  V Cấu trúc với màng mỏng CrOx 13 @ 500 có đặc trưng đảo điện trở theo chiều ngược chiều kim đồng hồ khoảng - V  + V Hình 3.18 Giá trị HRS LRS (a) tỷ số đảo điện trở (b) màng mỏng CrOx theo nhiệt độ ủ cấu trúc Ag/CrOx/FTO 3.4 Ảnh hƣởng điện cực Các loại vật liệu điện cực (đáy đỉnh) có ảnh hưởng lớn đến khả đảo điện trở màng mỏng chưa ủ nhiệt CrOx @ RT ủ nhiệt CrOx @ 500 Bảng 3.13 Thống kê đặc trưng đảo điện trở màng CrOx theo nhiệt độ ủ với điện cực đỉnh Ag Ti điện cực đáy Pt FTO Điện cực đỉnh Ag Điện cực đỉnh Ti Cấu trúc Màng chƣa ủ nhiệt CrOx @ RT Ag/ CrOx Ag/CrOx/FTO /Pt Màng ủ nhiệt CrOx @ 500 Ag/ CrOx Ag/ CrOx /FTO /Pt Đảo điện trở Có Chiều kim đồng hồ Có Chiều kim đồng hồ Có Ngược chiều kim đồng hồ Cấu trúc Ti/ CrOx /FTO Ti/ CrOx /Pt Ti/ CrOx /FTO Đảo điện trở Có Ngược chiều kim đồng hồ Khơng có 14 Có Ngược chiều kim đồng hồ Khơng Có Ti/ CrOx /Pt Khơng Có Chƣơng Cơ chế truyền dẫn điện tích chế đảo điện trở thuận nghịch màng mỏng CrOx Trong chương này, chế truyền dẫn điện tích màng mỏng chưa ủ nhiệt CrOx @ RT cấu trúc có điện cực đáy FTO điện cực đỉnh Ag Ti: (1) đảo điện trở theo chiều kim đồng hồ Ag/CrOx/FTO (2) đảo điện trở theo chiều ngược chiều kim đồng hồ Ti/CrOx/FTO phân tích luận giải Từ đó, mối liên hệ chế truyền dẫn điện tích đảo điện trở thuận nghịch màng mỏng CrOx đề xuất luận giải dựa kết kết hợp từ áp suất khí riêng phần ơxi, độ dày màng, nhiệt độ ủ tính chất vật liệu điện cực  Với cấu trúc Ag/CrOx/FTO: chế truyền dẫn điện tích theo chế dịng dẫn bị giới hạn bẫy điện tích dịng đạn đạo (HRS  LRS), định luật Ôm (LRS) chế xuyên hầm (LRS  HRS) (Bảng 4.1) Cơ chế đảo điện trở thuận nghịch điều khiển trình hình thành đứt gãy đường dẫn kim loại Ag thông qua phản ứng ơxi hóa – khử tác dụng điện trường ngồi (Hình 4.6) Bảng 4.1: Thống kê chế truyền dẫn điện tích cấu trúc Ag/CrOx/FTO Quá trình phân cực Trạng thái điện trở Cơ chế truyền dẫn điện tích HRS  LRS Dịng điện tích khơng gian điều khiển bẫy Dịng đạn đạo  - 1,5 V - 1,5 V  LRS Dịng dẫn Ơm 0+2V LRS  HRS Dịng dẫn Ơm dịng xun hầm +2 V  HRS Dịng xun hầm 15 Hình 4.6 Mơ hình đảo điện trở cấu trúc Ag/CrOx/FTO  Với cấu trúc Ti/CrOx/FTO: chế truyền dẫn điện tích tn theo chế dịng xun hầm (HRS) chế phát xạ nhiệt Schottky (LRS) (Bảng 4.2) Cơ chế đảo điện trở điều khiển theo mơ hình di chuyển thuận nghịch ion ôxi âm O2- qua mặt phân giới CrOx/FTO tác dụng điện trường ngồi (Hình.14) Bảng 4.2: Thống kê chế truyền dẫn điện tích cấu trúc Ti/CrOx/FTO Q trình phân cực Trạng thái điện trở Cơ chế truyền dẫn điện tích HRS  LRS Dòng xuyên hầm 0+4V +4V0 LRS Dòng phát xạ schottky 0-4V LRS  HRS Dòng phát xạ schottky -4V0 HRS Dòng xuyên hầm Hình 4.14 Mơ hình đảo điện trở cấu trúc Ti/CrOx/FTO 16 Chƣơng Nghiên cứu trình đảo điện trở thuận nghịch màng mỏng CrOx kỹ thuật C – AFM Trong chương này, kỹ thuật C – AFM sử dụng để kiểm chứng chế đảo điện trở thuận nghịch màng mỏng CrOx Trong đó, đầu dị dẫn điện phủ Pt đóng vai trị điện cực đỉnh, màng mỏng Ag Ti điện cực đáy Các kết thực nghiệm thu từ phân tích C - AFM sau:  Cấu trúc đầu dò Pt/CrOx/Ag:  Đặc trưng I – V khoảng điện -2 V  V cho thấy cấu trúc có q trình đảo điện trở thuận nghịch tác dụng điện trường  Hình ảnh dịng dẫn bề mặt màng mỏng CrOx trạng thái LRS (khi áp điện dương) có xuất đốm sáng phân bố ngẫu nhiên, có giá trị dịng dẫn cao nhiều so với dịng dẫn vị trí Điều chứng tỏ vị trí sáng có hình thành đường dẫn kim loại Ag nối từ điện cực đáy qua lớp CrOx đến vị trí đầu dị Pt  Đường kính số lượng đường dẫn kim loại Ag phụ thuộc vào độ lớn dịng ngưỡng Ic Đường kính nhỏ đường dẫn 2,9 nm 8,8 nm tương ứng với dòng ngưỡng 10 nA 500 nA Với kích thước mật độ lưu trữ nhớ đạt đến 100 Tbit/inch2  Điều khiển dịng Ic điều khiển dung lượng lưu trữ liệu màng mỏng CrOx 17 Hình 5.1 Đặc trưng I – V cấu trúc đầu dị Pt/CrOx/Ag thu từ kỹ thuật phân tích C – AFM Hình 5.2 (a) Hình thái bề mặt màng mỏng CrOx.(b - c) Hình ảnh 2D 3D dòng dẫn bề mặt màng mỏng CrOx trạng thái LRS (d - e) trạng thái HRS 18 Hình 5.3 Đặc trưng I – V cấu trúc đầu dò Pt/CrOx/Ti thu từ kỹ thuật C – AFM Hình 5.4 Hình ảnh dịng dẫn bề mặt CrOx/Ti (a) áp điện dương +2 V (b) áp điện âm -2 V  Cấu trúc đầu dị Pt/CrOx/Ti:  Khơng thể q trình đảo điện trở thuận nghịch  Hình ảnh dịng dẫn bề mặt màng mỏng CrOx khác biệt áp điện phân cực dương phân cực âm, chứng tỏ khơng có hình thành đường dẫn qua lớp CrOx Hình 5.5 Đồ thị thống kê số lượng theo đường kính đường dẫn tương ứng với Ic = 10 nA (e) Ic = 500 nA (f) 19 KẾT LUẬN Trong luận án này, màng mỏng CrOx chế tạo thành công phương pháp phún xạ phản ứng magnetron DC hỗn hợp khí Ar O2 nhiệt độ phịng với tỷ lệ áp suất riêng phần ơxi thay đổi từ 6% - 40%, độ dày màng từ 30 nm – 500 nm, nhiệt độ ủ từ 300 oC – 500 oC Kết phân tích từ phổ Raman, XPS ảnh FESEM xác định cấu trúc màng mỏng CrOx, trạng thái ion hoá Cr hình thái học bề mặt màng mỏng CrOx Cấu trúc hình thái học bề mặt màng mỏng CrOx phụ thuộc vào áp suất riêng phần ơxi hỗn hợp khí phún xạ, vào độ dày màng mỏng CrOx đặc biệt phụ thuộc lớn vào q trình ủ nhiệt mơi trường khơng khí Ơ xít crơm có thành phần đa pha, bao gồm Cr2O3, CrO2 Cr8O21, pha Cr2O3 chiếm đa số Khi áp suất riêng phần ôxi tăng từ 6% 40%, độ dày màng tăng từ 100 nm – 500 nm nhiệt độ ủ từ 300oC – 500oC, cấu trúc màng có ưu tiên phát triển pha Cr2O3 so với pha khác, đồng thời bề mặt màng theo xu hướng xếp chặt Chế tạo thành công cấu trúc trở nhớ gồm 02 lớp màng mỏng (CrOx điện cực đỉnh kim loại Ag Ti) điện cực Pt, FTO phương pháp phún xạ magnetron dc Khảo sát thành công khả lưu trữ liệu màng mỏng CrOx cấu trúc: Ag/CrOx/Pt, Ag/CrOx/FTO, Ti/CrOx/Pt Ti/CrOx/FTO Khả đảo điện trở màng mỏng CrOx phụ thuộc lớn vào độ dày màng mỏng CrOx, vật liệu điện cực nhiệt độ ủ, phụ thuộc vào tỷ lệ khí riêng phần ơxi Kết cụ thể sau: 20 a Màng mỏng CrOx thể khả đảo điện trở thơng qua đặc trưng I-V có tính trễ với dạng đảo lưỡng cực xuất 03 cấu trúc Ag/CrOx/Pt (ở điều kiện RT), Ag/CrOx/FTO, Ti/CrOx/FTO Cấu trúc Ti/CrOx/Pt khả đảo điện trở b Chiều đảo điện trở phụ thuộc lớn vào vật liệu điện cực:  Ag/CrOx/Pt Ag/CrOx/FTO (ở điều kiện RT): Chiều kim đồng hồ  Ag/CrOx/FTO (ở điều kiện ủ nhiệt 5000C) Ti/CrOx/FTO: Ngược chiều kim đồng hồ Khảo sát đề xuất chế truyền dẫn điện tích 02 cấu trúc Ag/CrOx/FTO Ti/CrOx/FTO Kết phân tích cho thấy chế đảo điện trở phụ thuộc vào vật liệu điện cực: Cấu trúc Cơ chế truyền dẫn điện tích Dịng điện tích khơng gian điều khiển bẫy Ag/CrOx/FTO Dòng đạn đạo Dòng Ohmic Dòng xuyên hầm Ti/CrOx/FTO Dòng xuyên hầm Dòng phát xạ schottky Khảo sát đề xuất chế đảo điện trở thuận nghịch màng mỏng CrOx cấu trúc Ag/CrOx/FTO, Ag/CrOx/Pt Ti/CrOx/FTO Kết phân tích cho thấy chế đảo điện trở phụ thuộc vào vật liệu điện cực nhiệt độ ủ: 21 Cấu trúc Đảo điện trở Cơ chế đảo điện trở thuận nghịch Phản ứng ơxi hố khử đường Ag/CrOx @RT/FTO Chiều kim đồng hồ dẫn kim loại Ag lớp màng mỏng CrOx Ag/CrOx @ 500/FTO Ngược chiều kim đồng hồ Di chuyển thuận nghịch ion ôxi âm O2- mặt phân giới CrOx/FTO Phản ứng ơxi hố khử đường Ag/CrOx @RT/Pt Chiều kim đồng hồ dẫn kim loại Ag lớp màng mỏng CrOx Ag/CrOx @ 500/Pt Ti/CrOx @RT/FTO Ti/CrOx @ 500/FTO Không đảo điện trở Ngược chiều kim đồng hồ Ngược chiều kim đồng hồ Ti/CrOx @RT/Pt Không đảo điện trở Ti/CrOx @ 500/Pt Không đảo điện trở Di chuyển thuận nghịch ion ôxi âm O2- mặt phân giới CrOx/FTO Di chuyển thuận nghịch ion ôxi âm O2- mặt phân giới CrOx/FTO Các kết luận án: Cơ chế đảo điện trở theo mơ hình ơxi hố khử đường dẫn kim loại Ag nhiều nhóm tác giả giới công bố cho nhiều loại vật liệu màng mỏng Hầu hết công bố điều kiện tiên cho chế vật liệu điện cực đỉnh điện cực đáy gồm vật liệu trơ (Pt) vật liệu dễ ơxi hố (Ag, Cu) Dựa vào kết tham khảo công bố lĩnh vực nghiên cứu, chưa thấy công bố khoa học đề cập đến chế đảo điện trở theo mô hình ơxi hố khử cấu trúc có điện 22 cực vật liệu ô xit (FTO) ảnh hưởng độ kết tinh lên chế đảo điện trở theo mơ hình ơxi hố khử Các kết nghiên cứu luận án số nội dung sau: a Hiện tượng đảo điện trở thuận nghịch cấu trúc Ag/CrOx/Pt tương tự cơng bố khoa học nhóm tác giả khác Tuy nhiên, thay điện cực đáy kim loại Pt điện cực ô xit FTO cấu trúc Ag/CrOx/FTO thu tượng đảo điện trở thuận nghịch tương tự cấu trúc Ag/CrOx/Pt b Trong cấu trúc Ag/CrOx/Pt, tượng đảo điện trở thuận nghịch không xuất ủ màng CrOx nhiệt độ cao Như vậy, chế đảo điện trở thuận nghịch theo mơ hình ơxi hố khử khơng phụ thuộc vào vật liệu điện cực mà phụ thuộc vào độ kết tinh màng mỏng ô xit CrOx c Chiều đảo điện trở thuận nghịch phụ thuộc vào vật liệu điện cực cho thấy có cạnh tranh loại hạt tải trình truyền dẫn có ảnh hưởng đến khả đảo điện trở màng mỏng CrOx d Mật độ lưu trữ màng mỏng CrOx xác định cách sử dụng kỹ thuật C-AFM có giá trị 100 Tbit/inch2 Kết hợp thêm thông số đảo điện trở, tỷ số đảo điện trở, cửa sổ điện trở ổn định, bề dày màng 10 nm cho thấy cấu trúc trở nhớ CrOx đáp ứng yêu cầu nhớ RRAM với quy trình chế tạo đơn giản, triển khai sản xuất ứng dụng 23 HƢỚNG PHÁT TRIỂN Trên sở kết đặc điểm tính chất đảo điện trở thuận nghịch màng mỏng CrOx, triển khai chế tạo linh kiện trở nhớ để ứng dụng vào thực tế nhớ RRAM Sơ đồ quy trình chế tạo linh kiện trở nhớ RRAM Chế tạo cấu trúc RRAM dạng tụ điện MIM: Màng mỏng Vật liệu Điện cực đáy Pt Lớp điện môi Điện cực đỉnh Phương pháp chế tạo Áp suất khí phún xạ Áp suất phún xạ (mTorr) Khoảng cách Bia – Đế (cm) Nhiệt độ đế (oC) Độ dày màng (nm) Đế thương phẩm Pt/Ti/SiO2/Si, điện trở mặt Rs = Ω/ CrOx Phún xạ Ag Phún xạ 6% O2+ 94% Ar Ar (100%) 30 100 10 30 100 Khảo sát cấu trúc tính chất đảo điện trở Phân tích Phương pháp Máy phân tích Địa điểm phân tích Độ dày Stylus profiler Dektak 6M, Veeco Khoa Khoa học Vật liệu – ĐH KHTN Cấu trúc Raman LabRAM HR, Horiba Phịng TN Cơng nghệ Nano – ĐHQG TPHCM Hình thái bề mặt FESEM S4800, Hitachi Phịng TN Cơng nghệ Nano – ĐHQG TPHCM Tính chất đảo điện trở Đặc trưng I - V 4200 SCS, Keithley Khoa Khoa học Vật liệu – ĐH KHTN 24 A CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN TRỰC TIẾP ĐẾN LUẬN ÁN Công bố khoa học Số lƣợng Tạp chí quốc tế SCI Tạp chí quốc tế Tạp chí nước Kỷ yếu hội nghị Kim Ngoc Pham, Trung Do Nguyen, Thi Bang Tam Dao, Thi Kieu Hanh Ta, Vinh Cao Tran, Van Hieu Nguyen, Sang Sub Kim, Shinya Maenosono and Bach Thang Phan, Different Directions of Switching of Chromium Oxide Thin Films, Journal of Electronic Materials, 43, 7, 2747-2753 (2014), SCI Kim Ngoc Pham, Minsu Choi, Cao Vinh Tran, Trung Do Nguyen, Van Hieu Le, Taekjib Choi, Jaichan Lee, and Bach Thang Phan, Study of the Resistive Switching Effect in Chromium Oxide Thin Films by Use of Conductive Atomic Force Microscopy, Journal of Electronic Materials, 44, 10, 3395 (2015), SCI Ngoc Kim Pham, Kieu Hanh Thi Ta, Vinh Cao Tran, Van Hieu Le, Bao Thu Le Nguyen, HeongKyu Ju, Tosawat Seetawan and Bach Thang Phan, Effect of post–annealing processes on filamentary–based resistive switching mechanism of chromium oxide thin films, Journal of Electronic Materials, DOI: 10.1007/s11664-016-5263-1, (2017), SCI Ngoc Kim Pham, Kieu Hanh Thi Ta, Thi Lien Thuong Nguyen, Vinh Cao Tran, and Bach Thang Phan, Surface mapping of resistive switching CrOx thin films, Advances in Materials Physics and Chemistry, 6,3, 2127 (2016), Quốc tế không ISI Phạm Kim Ngọc, Phan Bách Thắng, Trần Cao Vinh, “ Ảnh hưởng độ dày màng lên đặc trưng đảo điện trở thuận nghịch màng mỏng CrOx”, Tạp chí Phát triển KHCN – ĐHQG Tp HCM, 92, 3/2016 Kim Ngoc Pham, Trung Do Nguyen, Cao Vinh Tran, Bach Thang Phan, Structure and Optical properties of sputtered chromium oxide thin films, Proceedings of The 8th International Conference on Photonics and Applications, 285-291 (2014) Kim Ngoc Pham, Trung Do Nguyen, Bang Tam Thi Dao, Thi Kieu Hanh Ta, Cao Vinh Tran, and Bach Thang Phan, Annealing effects on resistive switching characteristics of CrOx thin film, Proceedings of The 5th International Workshop onNanotechnology and Applications, 286289, (2015) i B CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN HƢỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Số lƣợng Công bố khoa học Tạp chí quốc tế SCI Tạp chí quốc tế Tạp chí nước Kim Ngoc Pham, Van Dung Hoang, Cao Vinh Tran and Bach Thang Phan, TiO2 thin film based transparent flexible resistive switching random access memory, Journal of Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol, 7, 015017 (2016) Thi Kieu Hanh Ta, Thi Bang Tam Dao, Kim Ngoc Pham, Dai Lam Tran and Bach Thang Phan, Understanding Electrical Conduction States in WO3, Journal of Electronic Materials, 45, 5, 2423 (2016), SCI Thi Bang Tam Dao, Kim Ngoc Pham, Yi-Lung Cheng, Sang Sub Kim, Bach Thang Phan, Correlation between crystallinity and resistive switching behavior of sputtered WO3 thin films, Current Applied Physics, 14, 1707-1712 (2014), SCI Kim Ngoc Pham, Trung Do Nguyen, Thi Kieu Hanh Ta, Khanh Linh Dao Thuy, Van Hieu Le, Duy Phong Pham, Cao Vinh Tran, Derrick Mott, Shinya Maenosono, Sang Sub Kim, Jaichan Lee, Duc Thang Pham, and Bach Thang Phan, An influence of bottom electrode material on electrical conduction and resistance switching of TiO x thin films, Eur Phys J Appl Phys 64, 30102 (2013), SCI Trung Do Nguyen, Kim Ngoc Pham, Vinh Cao Tran, Duy Anh Tuan Nguyen and Bach Thang Phan, Electrical Conduction and Resistance Switching Mechanisms of Ag/ZnO/Ti Structure, Journal of IKEEE.17, 3, 229∼233, (2013), Quốc tế không ISI Phạm Kim Ngọc, Lê Văn Hiếu, Trần Cao Vinh, Đào Thanh Toản, Chế tạo khảo sát tính chất linh kiện trở nhớ đế dẻo, Tạp chí Phát triển KHCN – ĐHQG Tp HCM, 17, (2016) Trung Do Nguyen, Van Thuy Dao, Kim Ngoc Pham, Thi Kieu Hanh Ta, Tran Le, Tuan Tran, Van Hieu Le, Jaichan Lee, Mau Chien Dang and Bach Thang Phan, Resistance switching of ZnO thin films for random access memory applications, Journal of Science and Technology Development – VNUHCM, 16, 81- 85, (2013) ii ... nghiên cứu có ti? ?m ứng dụng tương lai tính chất sắt điện (Ferroelectric random access memory - FRAM), từ tính (Magnetic random access memory - MRAM), biến đổi pha (Phase change random access memory... sát m? ??ng m? ?ng Bia – Đế (mTorr) (%) (oC) (nm) (cm) CrOx @ 30 30 30 nm CrOx @ 30 Theo độ 100 100 nm dày m? ?ng CrOx @ m? ??ng CrOx 30 300 300 nm CrOx @ 30 500 500 nm Hình 3 .8 Các đỉnh dao động Raman m? ?ng... đầu dò Pt/CrOx/Ag thu từ kỹ thuật phân tích C – AFM Hình 5.2 (a) Hình thái bề m? ??t m? ?ng m? ??ng CrOx.(b - c) Hình ảnh 2D 3D dòng dẫn bề m? ??t m? ?ng m? ??ng CrOx trạng thái LRS (d - e) trạng thái HRS 18 Hình