[논문 리뷰] Leakage-free electrolytes with different conductivity for non-volatile memory device utilizing insulator/metal ferromagnet transition of SrCoOx

Takayoshi Katase, Yuki Suzuki외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 01.

Transition Metal Oxide Nanomaterials참고 문헌 30인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 조절 가능한 이온 전도도를 가진 누설 없음 전해질이 스트라ontium 코발트산화물 기반 비揮성 메모리 장치에서 효율적인 전기화학적 스위칭을 가능하게 함을 보여준다. 나노다공성 a-12CaO·7Al2O3와 나노피라미드형 a-Na_xTaO3 필름을 전해질로 사용함으로써, 더 높은 이온 전도도(최대 2.5×10⁻⁶ S cm⁻¹)는 필수 게이트 전압(−3 V로 감소)시키고 스위칭 시간을 두 배수 감소시킴을 입증하였으며, 이는 전도도가 상전이의 속도 결정 단계임을 증명한다. 이온 이동은 페로자성 절연체-금속 시스템에서의 상전이에 있어 속도 결정 단계이다.

ABSTRACT

The electrochemical switching of SrCoOx-based non-volatile memory with thin-film-transistor structure was examined by using liquid-leakage-free electrolytes with different conductivity (s) as the gate insulator. We first examined leakage-free water, which is incorporated in the amorphous (a-) 12CaO 7Al2O3 film with nanoporous structure (CAN), but the electrochemical oxidation/reduction of SrCoOx layer required the application of high gate voltage (Vg) up to 20 V for a very long retention-time (t) 40 minutes, primarily due to the low s (2.0 x 10-8 S cm-1 at RT) of leakage-free water.We then controlled the s of leakage-free electrolyte, infiltrated in the a-NaxTaO3 film with nanopillar array structure, from 8.0 x 10-8 S cm-1 to 2.5 x 10-6 S cm-1 at RT by changing the x = 0.01-1.0. As the result, the t, required for the metallization of SrCoOx layer under small Vg = -3 V, becomes two orders of magnitude shorter with increase of the s of the a-NaxTaO3 leakage-free electrolyte. These results indicate that the ion migration in the leakage-free electrolyte is the rate-determining step for the electrochemical switching, compared to the other electrochemical process, and the high s of the leakage-free electrolyte is the key factor for the development of the non-volatile SrCoOx-based electro-magnetic phase switching device.

연구 동기 및 목표

• SrCoOx 박막에서의 절연체-금속 전이 및 페로자성 전이 기반 비揮성 메모리 장치 개발
• 이전의 전해질 기반 장치에서의 높은 게이트 전압과 긴 스위칭 시간의 한계 극복
• 누설 없음 전해질의 이온 전도도가 전기화학적 스위칭 효율성에 미치는 영향 조사
• 전해질 내 이온 이동이 SrCoOx의 전기화학적 스위칭 과정에서 속도 결정 단계임을 입증

제안 방법

• 수분을 포함하지만 이온 누설이 없는 전해질로 나노다공성 a-12CaO·7Al2O3를 사용하여 수분을 봉인함
• Na 도핑된 탄탈산염(a-Na_xTaO3)을 나노피라미드 배열로 침투시켜 x(0.01–1.0)를 변화시켜 이온 전도도를 8.0×10⁻⁸에서 2.5×10⁻⁶ S cm⁻¹로 조절함
• 활성 채널로 SrCoOx를 사용하고 전해질을 게이트 다이렉터로 사용하는 박막 트랜지스터(TFT) 구조 제작
• SrCoOx의 전기화학적 산화/환원을 유도하기 위해 −3 V에서 −20 V 범위의 게이트 전압(Vg)를 적용함
• 다양한 이온 전도도에서 스위칭 시간(t)과 유지 시간을 측정하여 성능 평가
• 전해질의 이온 전도도(σ)와 스위칭 속도 및 필요 게이트 전압 간의 상관관계 분석

실험 결과

연구 질문

• RQ1 누설 없음 전해질의 이온 전도도가 스트라ontium 코발트산화물 기반 비휘성 메모리 장치의 스위칭 속도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 누설 없음 전해질에서 높은 이온 전도도를 통해 저전압(예: −3 V) 스위칭이 가능할 수 있는가?
• RQ3 전기화학적 스위칭 과정에서 전해질 내 이온 이동이 속도 결정 단계인가?
• RQ4 전해질의 구조(나노다공성 대 나노피라미드)가 이온 이동 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 최적화된 전해질 전도도를 통해 스위칭 시간을 단축시키면서도 유지 시간을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 저이온 전도도(2.0×10⁻⁸ S cm⁻¹)를 가진 누설 없음 수분 포함 a-12CaO·7Al2O3 전해질을 사용할 경우, 스위칭을 위해 최대 20 V의 게이트 전압과 40분의 유지 시간이 필요함
• a-Na_xTaO3 전해질의 이온 전도도를 8.0×10⁻⁸에서 2.5×10⁻⁶ S cm⁻¹로 증가시킴으로써, −3 V 게이트 전압에서 스위칭 시간이 두 배수 감소함
• −3 V에서 이온 전도도가 높을수록 스위칭 시간이著격히 감소하여, 전해질 내 이온 이동이 스위칭 속도를 제한하는 것으로 확인됨
• 전해질의 이온 전도도가 스위칭 동역학을 주로 결정하며, SrCoOx 인터페이스의 전기화학 반응은 주요 요인 아님
• 결과는 전기화학적 스위칭 과정에서 전해질 내 이온 이동이 속도 결정 단계임을 확인함
• 누설 없음 전해질에서 높은 이온 전도도는 스트라ontium 코발트산화물 기반 메모리 장치에서 저전압, 고속, 안정적인 비휘성 스위칭을 가능하게 함