CC BY
18Научная статья
УДК 538.935:621.382.322
ао1:10.24151/1561-5405-2023-28-1-88-95
Переключение проводимости в латеральных каналах на основе максенов Ti3C2Tx
Н. В. Якунина, Н. П. Некрасов, В. К. Неволин, И. И. Бобринецкий
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
8141147@gmail.com
Аннотация. В настоящее время слоистые материалы на основе карбидов или нитридов переходных металлов - максены - продемонстрировали свои уникальные свойства в оптике, электронике и фотонике. Создание элементов с нейроморфными свойствами - перспективное направление в данных областях. В работе рассмотрен мемристивный эффект в латеральных структурах на основе максенов типа Т^С2Т, Экспериментально исследовано управление формированием нескольких токовых состояний в проводимости канала на основе максенов в зависимости от приложенной разности потенциалов. Структура на основе максенов представляет собой нанесенный осаждением из раствора пленочный слой максена Т^С2ТХ между сформированными на поверхности канала золотыми электродами на кремниевой подложке с оксидом кремния толщиной 200 нм. Полученные образцы проанализированы с помощью методов атомно-силовой микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния. Установлено, что в данных структурах можно формировать заданный уровень проводимости в зависимости от приложенного электрического поля. Наблюдаемое изменение отношения проводимости составляет два порядка. Проводимость в структурах на основе максенов определяется ловушечными состояниями в канале и сохраняется более 5 мин.
Ключевые слова: мемристивный эффект, двумерные материалы, максен, управление проводимостью, двумерный канал
Финансирование: работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 19-19-00401).
Благодарности: авторы выражают благодарность Дмитрию Кирееву (Университет Техаса, г. Остин, США) за предоставленные структуры максенов и обсуждение результатов.
Для цитирования: Якунина Н. В., Некрасов Н. П., Неволин В. К., Бобринецкий И. И. Переключение проводимости в латеральных каналах на основе максенов Т13С2ТХ // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 1. С. 88-95. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-1-88-95
© Н. В. Якунина, Н. П. Некрасов, В. К. Неволин, И. И. Бобринецкий, 2023
Original article
Conductivity switching in lateral channels based on MXene Ti3C2Tx
N. V. Yakunina, N. P. Nekrasov, V. K. Nevolin, 1.1. Bobrinetskiy
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia 8141147@gmail.com
Abstract. Nowadays, sandwich structures based on transition metal carbides or nitrides - MXenes - have demonstrated their unique characteristics in optics, electronics and photonics. Formation of elements with neuromorphic properties is a promising trend. In this work, the memristive effect in lateral structures based on MXenes Ti3C2Tx is considered. The control of the formation of several current states in the conductivity of a MXene channel depending on the applied potential difference was experimentally studied. The structure is a film of MXene Ti3C2Tx composition deposited by solution deposition between gold electrodes formed on the channel surface on a silicon substrate with200 nm thick silicon oxide. The obtained samples were analyzed by atomic force microscopy and Raman spectroscopy. It has been established that in these structures it is possible to form a given conductivity level, depending on the applied electric field. The observed change in the conductivity ratio is two orders of magnitude. Conductivity in structures with MXene is determined by trap states in the channel and persists for more than 5 min.
Keywords, memristive effect, two-dimensional materials, MXene, conductivity control, two-dimensional channel
Funding, the work has been supported by the Russian Science Foundation (project No. 19-19-00401).
Acknowledgments, the authors express gratitude to Dmitry Kireev (University of Texas, Austin, USA) for providing the MXene structures and discussion of the results.
For citation, Yakunina N. V., Nekrasov N. P., Nevolin V. K., Bobrinetskiy I. I. Conductivity switching in lateral channels based on MXene Ti3C2Tx . Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 1, pp. 88-95. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2023-28-188-95
Введение. Максены (МХепе) представляют собой класс слоистых материалов на основе карбидов или нитридов переходных металлов с высокой электропроводностью. В настоящее время они уже продемонстрировали свои уникальные свойства в оптике, электронике и фотонике. Одно из перспективных направлений применения данных структур - создание элементов с нейроморфными свойствами [1].
По определению сопротивление мемристора можно менять, изменяя протекающий через него ток. Типичное поведение обучения для мемристивного устройства выглядит следующим образом: заданное значение тока подается на канал мемристора, после чего его сопротивление может переключаться и оставаться постоянным до тех пор, пока на канал не будет подано новое напряжение «обучения». При этом рабочий ток должен быть на порядок меньше «обучающего». Например, в работе [2] рабочее напряжение
составляет около 0,2 В, а напряжение «обучения» выше 10 В. Следовательно, для лучшей работы мемристора требуется формирование нанометрового канала. Для формирования такого канала необходимо либо применение высокоразрешающих методов литографии, либо создание многослойных структур вертикального типа, в которых размер канала будет определяться толщиной формируемого слоя из максенов.
В настоящей работе предлагается использовать метод создания совместимых КМОП-структур на основе максенов для исследования их оптических и электрических свойств. Рассматривается влияние «обучающего» напряжения на проводимость каналов на основе максенов различной длины и ширины.
Эксперимент. Исследовали максены состава Ti3C2Tx (университет Техаса, г. Остин, США), где Тх - функциональные группы состава =O, -OH, -F. Для нанесения и формирования рисунка из максенов на оксидированной кремниевой подложке Si/SiO2 с толщиной оксида 200 нм, а также для создания к ним электрических контактов из золота с подслоем титана толщиной 200 и 3 нм соответственно использовали традиционные методы фотолитографии. Электроды покрыты пассивацией из фотоструктурируемого ре-зиста SU-8 (MicroChem, США) толщиной ~ 1 мкм.
Структуры отжигали при температуре 350 °С для уменьшения контактного сопротивления. Исследовали три типа структур с различными размерами канала (ширина и длина): 20 х 10, 20 х 20, 10 х 20 мкм. Воздействие «обучающего» напряжения на состояние проводимости структур анализировали следующим образом: импульсом длительностью 10 мин подавали высокое «обучающее» напряжение в диапазоне 1-10 В, далее проводили измерение ВАХ в диапазоне 0-0,5 В, т. е. считывали записанное состояние.
Оптические характеристики сформированных структур исследовали на микроспек-троанализаторе Centaur HR (ООО «Нано Скан Технология», г. Долгопрудный) с 100х объективом (NA = 0,9) на длине волны 532 нм и при мощности 0,5 мВт (лазер Cobolt, Solna, Швеция) с размером сфокусированного пятна ~ 1 мкм . Топографические характеристики измеряли на атомно-силовом микроскопе Solvеr-Pro (ООО «НТ-МДТ», г. Москва). Измерение электрических характеристик проводили на анализаторе характеристик полупроводниковых приборов ИППП 1/5 (ОАО «МНИПИ», Минск).
Результаты и их обсуждение. Несмотря на то что тонкие слои Ti3C2 прозрачные, с увеличением толщины оптическое поглощение значительно растет и вследствие интерференции (с оксидом кремния) максены можно наблюдать в оптический микроскоп в виде пленки бирюзового цвета (рис. 1, а). Топография поверхности разветвленная, наблюдаемая средняя толщина пленок (20 ± 10) нм со значительной шероховатостью на уровне (5,3 ± 1,5) нм (рис. 1, б).
Основные пики комбинационного рассеяния света (КРС) для Ti3C2 локализованы в областях 204, 266, 394, 604 см-1 [2]. Данные пики слабо различимы на КРС-спектрах (рис. 2, а) и сдвинуты вправо. Это может быть связано с большим количеством -ОН групп, функционализирующих поверхность, что также подтверждается наличием наклона, обусловленного люминесценцией образца. Также обнаружены пики, характерные для D- и G-пиков углеродной фазы (рис. 2, б). Таким образом, КРС-спектр соответствует фазе a-Ti3C2Tx, получаемой при термическом отжиге исходного максена, характеризующегося наличием оксида титана в двух фазах - анатаз и рутил [3]. Так как отжиг проходит при недостаточно высоких температурах (350 °С), то аморфная фаза углерода не формируется, что подтверждается низким отношением интенсивностей ID/IG для D- и G-пиков a-Ti3C2Tx, равным 0,68.
Рис. 1. Оптическое изображение канала размером 10 х 20 мкм на основе максенов с золотыми электродами (а); АСМ-изображение поверхности канала (б); трехмерное изображение тонкой структуры на основе максенов при увеличенном изображении (в); сечение по высоте (г) Fig. 1. Optical image of a 10 х 20 цт MXene channel with gold electrodes (a); AFM image of the channel surface (b); magnified 3D image of MXene fine structure (c); vertical section (d)
Рис. 2. КРС-спектры канала на основе максенов с характерными пиками для фаз Ti3C2 (а)
и углерода (б)
Fig. 2. Raman spectra of the MXene channel with characteristic peaks for Ti3C2 phases (а)
and carbon (b)
ВАХ измеряли при подаче на электроды сток-исток напряжения ЦСИ от 0 до 0,5 В. Обнаружено, что ток через устройство увеличивается в зависимости от приложенного перед измерением «обучающего» напряжения. Напряжение, равное 30 В, прикладывали в течение 10 мин (рис. 3). При подаче «обучающего» напряжения ток возрастает с выходом в насыщение в течение 10 мин. Сопротивление каналов максена относительно высокое из-за слабого межплоскостного взаимодействия и высокого контактного сопротивления с металлом (что также выражается в высоком шуме получаемых характеристик при высоких значениях протекающего тока), но его зависимость подчиняется омическому закону, так как сопротивление короткого канала шириной 10 мкм наименьшее (см. рис. 3). Теоретические расчеты зонной диаграммы для слоистой структуры на основе максенов состава Т13С2(ОН)2 показывают, что его металлическая проводимость высокоанизотропна [4] и в основном определяется латеральным транспортом носителей заряда в плоскости одного слоя в отличие от перпендикулярного ему слоя [5].
120
юо -
4 80
О
-о
§ 60
5
s
|
CQ
g. 40 С
20
0 Рис.
1 1 1 i/CH = 30B
20 x 10 мкм ju&r"^
/ 20 x 20 мкм -
/ 10x20 мкм -
200 400 600
Время, с
3. Изменение во времени проводимости для трех каналов
с разными размерами Fig. 3. Time variation of conductivity for three channels with different sizes
При измерении ВАХ наблюдается расхождение измеряемого динамического сопротивления от сопротивления в точке насыщения, которое может доходить до одного порядка. Под действием «обучающего» напряжения проводимость может быть увеличена более чем на два порядка (рис. 4). При этом существует порог напряжения, ниже которого состояние проводимости практически не изменяется.
Экспериментально обнаружено, что для структур с каналом размером 10 х 20 мкм пороговое напряжение «записи» составляет 5 В. Записанное состояние релаксирует в течение 10 мин к начальному высокоомному состоянию (рис. 5).
Полученные результаты хорошо согласуются с результатами, полученными с использованием методов формирования латеральных мемристоров на основе термически восстановленного оксида графена, в котором переключение состояний происходит
Рис. 4. ВАХ канала размером 10 х 20 мкм, демонтирующие асимптотические нелинейные кривые с воспроизводимым инкрементом для стимулирующего
положительного последовательного напряжения в диапазоне 5-10 В Fig. 4. I-U characteristics of a 10 х 20 цш channel, dismantling asymptotic nonlinear curves with a reproducible increment for a stimulating positive series voltage
in the range of 5-10 V
за счет дрейфа кислородных вакансий при нагреве под действием электрического тока [6]. Механизм формирования памяти в структурах на основе максенов пока еще в стадии обсуждения [1]. Считается, что примеси и включения в слоистой структуре на основе максенов могут формировать каналы проводимости. В связи с этим наличие дополнительных включений, таких как углерод и оксид титана, в слоях максена могут быть факторами, определяющими процесс «обучения». Возможный механизм «обучения» в слоистых структурах на основе максенов - формирование каналов между слоями в перпендикулярном направлении и включение дополнительных слоев в процесс проводимости. Наблюдаемое относительно продолжительное время релаксации на три порядка превышает время релаксации при возбуждении искусственных синапсов на основе мемристоров [2, 7].
Заключение. Полученные в работе структуры слоев на основе максенов Ti3C2Tx позволяют управлять уровнем проводимости на два порядка больше приложенного «обучающего» напряжения. В результате проведенного исследования процесса записи состояний проводимости в каналах на основе слоистых структур состава Ti3C2 установлено, что она имеет пороговый характер и составляет 5 В для каналов размером 20 х 10 мкм. При этом состояние релаксирует к исходному высокоомному в течение 10 мин.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности формирования новой элементной базы нейроморфных систем на основе планарных структур максенов.
Рис. 5. Изменения проводимости канала после окончания стимулирующего воздействия
напряжения Fig. 5. Graph of the change in the channel conductivity after the end of the stimulating effect of the voltage
Литература
1. Emerging MXenes for functional memories / Y. Gong, X. Xing, Y. Wang et al. // Small Science. 2021. Vol. 1. Iss. 9. Art. ID: 2100006. https://doi.org/10.1002/smsc.202100006
2. Wang K., Chen J., Yan X. MXene Ti3C2 memristor for neuromorphic behavior and decimal arithmetic operation applications // Nano Energy. 2021. Vol. 79. Art. No. 105453. https://doi.org/10.1016/ j.nanoen.2020.105453
3. Ti3C2 MXenes modified with in situ grown carbon nanotubes for enhanced electromagnetic wave absorption properties / X. Li, X. Yin, M. Han et al. // J. Mater. Chem. C. 2017. Vol. 5. Iss. 16. P. 4068-4074. https://doi.org/10.1039/C6TC05226F
4. Champagne A., Charlier J. C. Physical properties of 2D MXenes: from a theoretical perspective // J. Phys. Mater. 2020. Vol. 3. No. 3. Art. No. 032006. https://doi.org/10.1088/2515-7639/ab97ee
5. Dynamical control over terahertz electromagnetic interference shielding with 2D Ti3C2Ty MXene by ul-trafast optical pulses / G. Li, N. Amer, H. A. Hafez et al. // Nano Lett. 2019. Vol. 20. Iss. 1. P. 636-643. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b04404
6. Abujabal M., Abunahla H., MohammadB., Alazzam A. Tunable switching behavior of GO-based memristors using thermal reduction // Nanomaterials (Basel). 2022. Vol. 12. Iss. 11. Art. No. 12111812. https://doi.org/10.3390/nano12111812
7. A new memristor with 2D Ti3C2Tx MXene flakes as an artificial bio-synapse / X. Yan, K. Wang, J. Zhao et al. // Small. 2019. Vol. 15. Iss. 25. Art. No. 1900107. https://doi.org/10.1002/smll.201900107
Статья поступила в редакцию 23.09.2022 г.; одобрена после рецензирования 31.10.2022 г.;
принята к публикации 29.11.2022 г.
Информация об авторах
Якунина Наталья Викторовна - инженер Научно-образовательного центра «Зон-довая микроскопия и нанотехнология» Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), natali.swan.1999@mail.ru
Некрасов Никита Петрович - инженер Научно-образовательного центра «Зондо-вая микроскопия и нанотехнология» Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), 8141147@gmail.com
Неволин Владимир Кириллович - доктор физико-математических наук, профессор, руководитель Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и на-нотехнология» Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), vkn@miee.ru
Бобринецкий Иван Иванович - доктор технических наук, ведущий инженер Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнология» Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), bobrinet@mail.ru
References
1. Gong Y., Xing X., Wang Y., Lv Z., Zhou Y., Han S.-T. Emerging MXenes for functional memories. Small Science, 2021, vol. 1, iss. 9, art. ID: 2100006. https://doi.org/10.1002/smsc.202100006
2. Wang K., Chen J., Yan X. MXene Ti3C2 memristor for neuromorphic behavior and decimal arithmetic operation applications. Nano Energy, 2021, vol. 79, art. no. 105453. https://doi.org/10.1016/ j.nanoen.2020.105453
3. Li X., Yin X., Han M., Song Ch., Xu H., Hou Z., Zhang L., Cheng L. Ti3C2 MXenes modified with in situ grown carbon nanotubes for enhanced electromagnetic wave absorption properties. J. Mater. Chem. C, 2017, vol. 5, iss. 16, pp. 4068-4074. https://doi.org/10.1039/C6TC05226F
4. Champagne A., Charlier J. C. Physical properties of 2D MXenes: from a theoretical perspective. J. Phys. Mater., 2020, vol. 3, no. 3, art. no. 032006. https://doi.org/10.1088/2515-7639/ab97ee
5. Li G., Amer N., Hafez H. A., Huang Sh., Turchinovich D., Mochalin V. N., Hegmann F. A., Titova L. V. Dynamical control over terahertz electromagnetic interference shielding with 2D Ti3C2Ty MXene by ultrafast optical pulses. Nano Lett., 2019, vol. 20, iss. 1, pp. 636-643. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b04404
6. Abujabal M., Abunahla H., Mohammad B., Alazzam A. Tunable switching behavior of GO-based mem-ristors using thermal reduction. Nanomaterials (Basel), 2022, vol. 12, iss. 11, art. no. 12111812. https://doi.org/10.3390/nano12111812
7. Yan X., Wang K., Zhao J., Zhou Zh., Wang H., Wang J., Zhang L., Li X., Xiao Z., Zhao Q. et al. A new memristor with 2D Ti3C2Tx MXene flakes as an artificial bio-synapse. Small, 2019, vol. 15, iss. 25, art. no. 1900107. https://doi.org/10.1002/smll.201900107
The article was submitted 23.09.2022; approved after reviewing 31.10.2022;
accepted for publication 29.11.2022.
Information about the authors
Natalia V. Yakunina - Engineer of the Scientific and Educational Center "Probe Microscopy and Nanotechnology", National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), natali.swan.1999@mail.ru
Nikita P. Nekrasov - Engineer of the Scientific and Educational Center "Probe Microscopy and Nanotechnology", National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), 8141147@gmail.com
Vladimir K. Nevolin - Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Head of the Scientific and Educational Center "Probe Microscopy and Nanotechnology", National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), vkn@miee.ru
Ivan I. Bobrinetskiy - Dr. Sci. (Eng.), Senior Engineer of the Scientific and Educational Center "Probe Microscopy and Nanotechnology", National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), bobrinet@mail.ru
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
С тематическими указателями статей за 1996 - 2022 гг., аннотациями и содержанием последних номеров на русском и английском языках можно ознакомиться на сайте:
http://ivuz-e.ru
