Ηλεκτρονικές διατάξεις εναλλαγής αντίστασης και αισθητήρες νανοσωματιδίων σε εύκαμπτα και εκτατά υποστρώματα

Abstract

In recent years, the continuous accelerating development of the Internet of Things has created a new field of research, merging various scientific fields. The development of modern hardware as well as software technologies, capable of collecting and processing big data sets to connect them and exchange the collected data with other devices and systems, either via the internet or other communications protocols, becomes imperative. The electronic devices which for many decades were fabricated on conventional silicon substrates, no longer meet the requirements of current human needs. Thus, in recent years, in parallel with the development of innovative electronic devices that serve the needs of modern times but also improved electronic devices to existing ones, there has been strong research interest in the fabrication of electronic devices on flexible and stretchable substrates. The rapid development of wearable electronics has forced the focus towards research on the development of electronic devices, with random access memory (RAM) and sensors being the key representatives. The combination of these two devices can lead to an integrated system for recording and storing information in real time (real-time monitoring). Applications of this system may include the recording of various physiological parameters of human activity, such as strain, heart rate, body temperature, humidity or even recording blood glucose. Depending on the application, is defining the requirements that each sensor should meet. Then, by employing a non-volatile memory (non-volatile RAM), the data detected by the sensor can be stored. The aim of this dissertation is the fabrication of non-volatile resistive random-access memories on flexible substrates, the fabrication of strain and stretchable sensors on flexible and stretchable substrates, and the development of communication between them. In the present work, conductive bridge random access memories (CBRAM) were developed, where after the study of various materials, for both fabrication of the memories and the substrate to which they were developed, the development of fully functional resistive memories under high strain load was achieved. Resistive memories were developed on polyethylene naphthalate (PEN) substrates, a material that is gaining ground in the global market due to its unique properties. The most important step in the fabrication of these devices, is the deposition of a dense film of platinum nanoparticles (Pt NPs) on the substrate, as a first step towards the fabrication of the resistive memories. This leads the devices to remain fully functional even after high mechanical strain since Pt NPs assist the bottom electrode (BE) to remain conductive. The materials that were used to fabricate memristors are a dense film of Pt NPs and a thin film of titanium nitride (TiN) for the lower electrode, silicon dioxide (SiO2) as an active material, and silver (Ag) for the top electrode (TE). The devices remain fully functional after many strain cycles, presenting a large memory window, while at the same time having low power consumption. In addition, various neuromorphic properties were recorded, important for the development of electronic devices with applications in artificial neural networks. After the development of a reliable process for the fabrication of flexible artificial synapses, our research continued in the direction of the stretchable sensors. The sensors were fabricated on polydimethylsiloxane (PDMS) substrates. After the synthesis of the substrate, pre-stretched was applied to it, a thin film of Al2O3 was deposited and then a dense film of Pt NPs. After the samples' relaxation to their' initial length, Ag electrodes were patterned. The sensors show three to four different areas of sensitivity, depending on their initial pre-stretch during their fabrication. The initial pre-stretch of the substrate determines not only the number of areas of sensitivity but also their width. Thus, we can adjust the sensitivity area of each sensor depending on the application. Finally, the flexible memory and the sensor are connected in a circuit with the memory storing the sensor information when it is amplified to a critical value.

Τα τελευταία χρόνια, η συνεχώς επιταχυνόμενη ανάπτυξη του διαδικτύου των πραγμάτων (Internet of Things - ΙοΤ) έχει δημιουργήσει ένα νέο πεδίο έρευνας συγχωνεύει τομείς διαφόρων επιστημών. Η ανάπτυξη σύγχρονων τεχνολογιών συσκευών (hardware) καθώς και λογισμικού (software), ικανών για τη συλλογή και επεξεργασία μεγάλου όγκου δεδομένων με στόχο τη σύνδεσή τους και την ανταλλαγή των συλλεγόμενων δεδομένων με άλλες συσκευές και συστήματα, είτε μέσω του διαδικτύου (internet) είτε μέσω άλλων πρωτόκολλων επικοινωνιών (communications protocols) γίνεται επιτακτική. Οι ηλεκτρονικές διατάξεις που για πολλές δεκαετίες κατασκευάζονταν σε συμβατικά υποστρώματα πυριτίου, δεν ανταποκρίνονται πλέον στις απαιτήσεις των σύγχρονων εφαρμογών. Έτσι, τα τελευταία χρόνια, παράλληλα με την ανάπτυξη καινοτόμων ηλεκτρονικών διατάξεων όπου εξυπηρετούν ανάγκες της σύγχρονης εποχής αλλά και βελτιωμένων ηλεκτρονικών διατάξεων σε σχέση με τις ήδη υπάρχουσες, έχει αναπτυχθεί έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον προς την κατεύθυνση της κατασκευής ηλεκτρονικών διατάξεων σε εύκαμπτα και εκτατά υποστρώματα. Η ραγδαία ανάπτυξη του τομέα των φορετών ηλεκτρονικών (wearable electronics), έχει επιβάλλει την εστίαση ενός μεγάλου μέρους της έρευνας, στην ανάπτυξη ηλεκτρονικών διατάξεων με βασικούς εκπροσώπους τις μνήμες τυχαίας προσπέλασης (RAM) και τους αισθητήρες (sensors). Ο συνδυασμός αυτών των δύο διατάξεων μπορεί να οδηγήσει σε ένα ενοποιημένο σύστημα καταγραφής και αποθήκευσης πληροφοριών σε πραγματικό χρόνο (real-time monitoring). Οι εφαρμογές αυτού του συστήματος, μπορεί να περιλαμβάνουν καταγραφή διαφόρων φυσιολογικών παραμέτρων της ανθρώπινης δραστηριότητας, όπως καταπόνησης, καρδιακούς παλμούς, θερμοκρασία σώματος, υγρασίας ή και καταγραφή της γλυκόζης του αίματος. Αυτό ορίζεται από την κατασκευή και το είδος του εκάστοτε αισθητήρα. Στη συνέχεια με τη βοήθεια μιας μη πτητικής μνήμης (non-volatile RAM), τα δεδομένα που ανιχνεύθηκαν από τον αισθητήρα, μπορούν να αποθηκευθούν. Ο στόχος της συγκεκριμένης διατριβής, είναι η κατασκευή μη πτητικών μνημών εναλλαγής αντίστασης σε εύκαμπτα υποστρώματα, η ανάπτυξη αισθητήρων σε εύκαμπτα και εκτατά υποστρώματα καθώς και η ανάπτυξη της μεταξύ τους επικοινωνίας. Στην παρούσα εργασία, αναπτύχθηκαν μνήμες εναλλαγής αντίστασης αγώγιμης γέφυρας (CBRAM), όπου ύστερα από μελέτη διαφόρων υλικών, τόσο για την κατασκευή της μνημών, όσο και του υποστρώματος στο οποία αυτές αναπτύχθηκαν, επιτεύχθηκε η ανάπτυξη πλήρως λειτουργικών μνημών υπό συνθήκες υψηλής καταπόνησης. Οι μνήμες αναπτύχθηκαν σε υποστρώματα ναφθαλικού πολυαιθυλένιου (PEN), υλικό το οποίο κερδίζει όλο και περισσότερο έδαφος στην παγκόσμια αγορά, λόγω των ιδιοτήτων του. Το σημαντικότερο σημείο στην κατασκευή αυτών των διατάξεων, είναι η εναπόθεση ενός πυκνού στρώματος νανοσωματιδίων πλατίνας (Pt NPs) στο υπόστρωμα, σαν πρώτο βήμα στην κατασκευή των μνημών. Αυτό οδηγεί τις διατάξεις, να παραμένουν πλήρως λειτουργικές ύστερα από μεγάλα ποσοστά καταπόνησης, καθώς τα Pt NPs βοηθούν στο να παραμένει το κάτω ηλεκτρόδιο (ΒΕ) αγώγιμο. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των μνημών, είναι Pt NPs και νιτρίδιο του τιτανίου (TiN) για το κάτω ηλεκτρόδιο, διοξείδιο του πυριτίου (SiO2) σαν το ενεργό υλικό και άργυρος (Ag) για το πάνω ηλεκτρόδιο (TE). Οι διατάξεις παραμένουν πλήρως λειτουργικές ύστερα από πολλούς κύκλους καταπόνησης, παρουσιάζοντας μεγάλο παράθυρο μνήμης, ενώ ταυτόχρονα παρουσιάζουν χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Επιπροσθέτως, καταγράφηκαν διάφορες νευρομορφικές ιδιότητες, σημαντικές για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών διατάξεων με εφαρμογές σε τεχνητά νευρωνικά δίκτυα. Έχοντας αναπτύξει αξιόπιστη διαδικασία ανάπτυξης εύκαμπτων τεχνητών συνάψεων, η έρευνα συνεχίστηκε στην κατεύθυνση της κατασκευής εύκαμπτων και εκτατών αισθητήρων παραμόρφωσης. Οι αισθητήρες κατασκευάσθηκαν σε υποστρώματα polydimethylsiloxane (PDMS). Μετά τη σύνθεση του υποστρώματος, και εφαρμόζοντας σε αυτό προ-ένταση, εναποτέθηκε Al2O3 ενώ στη συνέχεια έγινε εναπόθεση ενός πυκνού υμενίου Pt NPs. Μετά την επαναφορά του υποστρώματος στο αρχικό του μήκος, έγινε ο σχηματισμός των ηλεκτροδίων με εναπόθεση Ag. Οι αισθητήρες παρουσιάζουν τρεις με τέσσερις διαφορετικές περιοχές ευαισθησίας, ανάλογα με την αρχική προ-ένταση του υποστρώματος κατά την κατασκευή του αισθητήρα. Η αρχική προ-ένταση του υποστρώματος, δεν καθορίζει μόνο τον αριθμό των περιοχών ευαισθησίας, αλλά και το εύρος τους. Έτσι, μπορούμε να ρυθμίσουμε την περιοχή ευαισθησίας του κάθε αισθητήρα ανάλογα με την εφαρμογή. Τέλος, η εύκαμπτη μνήμη και ο αισθητήρας συνδέθηκαν σε κύκλωμα με τη μνήμη να αποθηκεύει την πληροφορία του αισθητήρα, όταν αυτός εντείνεται σε κάποια κρίσιμη τιμή.