Chaveamento de resistivo utilizando um cristal líquido colunar como camada ativa

Abstract

O presente estudo tem como objetivo investigar as propriedades elétricas associadas ao efeito de chaveamento resistivo (do inglês Resistive Switching - RS) em filmes finos de cristais líquidos (CL). Aqui, apresentamos uma memória não volátil com camada ativa baseada em Perileno Tetraéster (PerLC), exibindo uma mesofase CL hexagonal colunar entre as temperaturas de 25 ºC e 148 ºC. Os dispositivos foram fabricados na configuração do tipo cela, com a estrutura final adotando a forma Metal-Isolante-Metal (MIM), com o material depositado entre camadas condutoras de ITO. Os filmes de cristal líquido demonstraram o efeito de chaveamento resistivo, identificamos nas medidas cíclicas de J-V, com curvas de histerese típicas, com o efeito mantendo-se estável ao longo de vários ciclos. Observamos que a condução nos filmes ocorre no regime de corrente limitada por carga espacial (do inglês Space Charge Limited Current - SCLC) controlado por armadilha, sendo responsável pelo transporte de cargas. Os processos de \"set\" e \"reset\" entre os estados de alta resistência (do inglês High Resistance State - HRS) e estados de baixa resistência (do inglês Low Resistance State - LRS), respectivamente, mostraram-se bem estabelecidos e reprodutíveis em ambas as polaridades. Observamos também que a incorporação de pontos quânticos de ZnO@SiO2 (do inglês Quantum Dots - QDs) foi responsável por melhorar significativamente a resposta elétrica, assim como o efeito de RS. Os estudos com espectroscopia de impedância elétrica revelaram os parâmetros elétricos que podem ser usados como marcadores do efeito de armazenamento de memória. Demonstramos a capacidade de escrever-ler-apagar-ler, que permite o controle dos estados \"ligado\" e \"desligado\", por meio da aplicação de um campo elétrico externo, evidenciando a habilidade de armazenar e ler informações múltiplas vezes. Ao longo de 50 ciclos consecutivos, verificamos que o efeito foi mantido, com uma diferença na resistência de quase uma ordem de magnitude entre os estados LRS e HRS. O dispositivo mostrou-se resiliente, preservando o efeito de chaveamento resistivo e a capacidade de memória mesmo após um ano mantido em ambiente não controlado, à temperatura ambiente. Cálculos usando teoria dos funcionais de densidade (do inglês Density Functional Theory - DFT) indicaram mecanismo de condução baseado em reduções reversíveis das moléculas CL. Este trabalho destaca a capacidade dos cristais líquidos de armazenar e processar informações por meio de sua resistência, com potencial para produção de memórias orgânicas em áreas grandes e de baixo custo.

Abstract: This present study aims to investigate the electrical properties associated with the resistive switching (RS) effect in liquid crystal (LC) thin films. Here, we present a non-volatile memory with an active layer based on Perylene Tetraester (PerLC), exhibiting a hexagonal columnar LC mesophase between temperatures of 25 ºC and 148 ºC. The devices were fabricated in a cell-type configuration, where the final structure Metal-Insulator-Metal (MIM) form, with the material deposited between conductive ITO layers. The liquid crystal films demonstrated the resistive switching effect, clearly identified in the cyclic J-V measurements, with typical hysteresis curves, with the effect remaining stable over several cycles. Trap-controlled SCLC conduction is responsible for the charge transport in the active layer, where the ?set? and ?reset? processes occur. The \"set\" and \"reset\" processes between the high resistance state (HRS) and low resistance state (LRS), respectively, proved to be well-established and reproducible for both polarities. The incorporation of ZnO@SiO2 quantum dots (QDs) significantly improves the electrical response as well as the RS effect. Electrical impedance spectroscopy (EIS) studies have revealed electrical parameters that can be used as markers of the memory storage effect. We demonstrated the ability to write-read-erase-read, allowing control of \"on\" and \"off\" states through the application of an external electric field, demonstrating the ability to store and read information multiple times. We verified that the effect was maintained, with a difference in resistance of almost an order of magnitude between the LRS and HRS states, over 50 consecutive cycles. The device proved to be resilient, preserving the resistive switching effect and memory capacity even after a year of being kept in an uncontrolled environment at room temperature. DFT calculations indicated a conduction mechanism based on reversible reductions of CL molecules. This article highlights the ability of liquid crystals to store and process information through their resistivity, with the potential for producing in large areas, low-cost organic memories.