KR20130006990A - Switching device comprising redox protein with multi-layer and method of manufacturing the same - Google Patents

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KR20130006990A KR1020110062793A KR20110062793A KR20130006990A KR 20130006990 A KR20130006990 A KR 20130006990A KR 1020110062793 A KR1020110062793 A KR 1020110062793A KR 20110062793 A KR20110062793 A KR 20110062793A KR 20130006990 A KR20130006990 A KR 20130006990A
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Abstract

PURPOSE: A switching device including redox protein with a multilayer and a manufacturing method thereof are provided to improve a memory property using a redox protein thin film. CONSTITUTION: An active layer is formed on a bottom electrode. A top electrode is formed on the active layer and is composed of a multilayer thin film obtained by alternatively laminating a material layer. The material layer includes one or more proteins and is composed of a positive charge material layer and a negative charge material layer.

Description

다층박막으로 산화환원 단백질을 포함하는 스위칭 소자 및 이의 제조방법{SWITCHING DEVICE COMPRISING REDOX PROTEIN WITH MULTI-LAYER AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}Switching device comprising redox protein as a multilayer thin film and a method for manufacturing the same {SWITCHING DEVICE COMPRISING REDOX PROTEIN WITH MULTI-LAYER AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 상부전극과 하부전극 사이에 게재되는 다층박막을 포함하는 스위칭 소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 다층박막은 양전하를 띠는 물질층과 음전하를 띠는 물질층이 교대로 적층되고, 상기 물질층은 적어도 1 종 이상의 단백질을 포함하여 이루어지는 것으로, 상기 다층박막이 용액 내에서 산화환원 반응을 통해 가역적인 전류 변화를 일으키고, 상기 단백질을 포함하는 다층박막에 외부 전압을 가함으로써 헴 FeⅢ/FeⅡ산화환원 쌍의 전하 포획/방출을 통해 가역적인 저항 변화를 일으키는 상부전극과 하부전극 사이에 게재되는 다층박막을 포함하는 스위칭 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a switching device including a multilayer thin film disposed between an upper electrode and a lower electrode, and a method of manufacturing the same. More particularly, the multilayer thin film alternates between a positively charged material layer and a negatively charged material layer. The material layer comprises at least one protein, wherein the multilayer thin film causes a reversible current change through a redox reaction in a solution, and applies an external voltage to the multilayer thin film containing the protein. Thus, the present invention relates to a switching device including a multilayer thin film interposed between an upper electrode and a lower electrode causing reversible resistance change through charge capture / release of a heme Fe III / Fe II redox pair, and a method of manufacturing the same.

용액 내에서 산화환원 반응을 통해 가역적인 전류 변화를 일으킬 수 있는 산화환원 단백질의 전기화학적 특성은 생물전기화학적 응용에 있어 중요하다. 이러한 산화환원 특성은 효소의 활성부위에서 보조인자의 역할을 하는 전이금속 이온의 화학적 활성에 좌우되는 경우가 많다. 상기 산화환원 단백질은 다양한 생화학 반응을 온화한 조건에서 높은 특이성으로 조절할 수 있으므로 센서 장치 및 생물연료 전지와 같은 생체전자 분야의 관심을 끌고 있다. 이러한 생화학 반응은 대개 전해질 수용액 내에서 산화환원 단백질과 전극 사이의 직접적인 전자 교환을 통한 효과적인 전하수송을 담당하는 산화환원 활성부위에 기인하는 경우가 많다. 예컨대, 거의 모든 생명체에서 흔히 발견되는 효소인 카탈라아제(CAT)는 헴 FeⅢ/FeⅡ산화환원 쌍을 가지고 있다. 이러한 산화환원 반응은 전자의 방출(산화) 및 포획(환원)과 밀접하게 관련되므로, 산화환원 단백질은 외부 전압의 인가에 의해 가역적인 저항 변화를 일으키는 저항 스위칭 특성을 가질 수 있을 것이다. 이러한 가능성은 산화환원 반응을 나타내는 다양한 천연 생체물질을 MP3 플레이어서, 디지털 카메라, 휴대폰과 같은 휴대용 전자기기에 적용 가능한 저항 스위칭 비휘발성 메모리(RSNM) 소자의 활성물질로 사용할 수 있다는 점에서 큰 의미를 갖는다.The electrochemical properties of redox proteins, which can cause reversible current changes through redox reactions in solution, are important for bioelectrochemical applications. These redox properties are often dependent on the chemical activity of transition metal ions, which act as cofactors in the active site of the enzyme. The redox protein has attracted interest in the field of bioelectronics such as sensor devices and biofuel cells because it can control various biochemical reactions with high specificity under mild conditions. Such biochemical reactions are often due to the redox active site which is responsible for the effective charge transport through direct electron exchange between the redox protein and the electrode in the electrolyte solution. For example, catalase (CAT), an enzyme commonly found in almost all living things, has heme FeIII / FeII redox pairs. Since the redox reaction is closely related to the emission (oxidation) and the capture (reduction) of the electrons, the redox protein may have a resistance switching property causing a reversible resistance change by the application of an external voltage. This possibility is significant in that various natural biomaterials exhibiting redox reactions can be used as active materials in resistive switching nonvolatile memory (RSNM) devices that can be applied to portable electronic devices such as MP3 players, digital cameras and mobile phones. Have

또한, 기존의 바이오메모리 소자에 관한 다수의 기술에 따르면, 이들 장치는 완충 수용액 내에서 순환 전압전류법에 의해 측정되는, 산화환원 단백질의 전기화학 반응을 이용한 것으로서, 메모리를 구성하기 위하여 전기적으로 구분되는 2개의 위치가 필요한 점 등의 문제점이 있다.Furthermore, according to a number of techniques for existing biomemory devices, these devices utilize electrochemical reactions of redox proteins, measured by cyclic voltammetry, in a buffered aqueous solution, and are electrically separated to form a memory. There are problems such as requiring two positions.

본 발명에서는 상부전극과 하부전극 사이에 양전하를 띠는 물질층과 음전하를 띠는 물질층이 교대로 적층하여 이루어지고, 상기 물질층은 적어도 1 종 이상의 단백질을 포함하여 이루어지는 다층박막을 포함하는 스위칭 소자를 제조함으로써, 헴 FeⅢ/FeⅡ산화환원 쌍의 전하 포획/방출을 통해 가역적인 저항 변화를 유도할 수 있는 스위칭 소자 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.In the present invention, a positively charged material layer and a negatively charged material layer are alternately stacked between the upper electrode and the lower electrode, and the material layer includes a multilayer thin film including at least one protein. The present invention provides a switching device capable of inducing a reversible resistance change through charge capture / release of a heme Fe III / Fe II redox pair and a method of manufacturing the device.

또한, 본 발명에 따른 스위칭 소자를 포함함으로써 나노초 수준의 빠른 스위칭 속도와 높은 ON/OFF 전류비, 장기 안정성 및 적절한 가공성을 갖춘 전자장치를 제공하여, 차세대 비휘발성 메모리 소자의 개발을 위한, 저항 스위칭 비휘발성 메모리 소자 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.In addition, the switching device according to the present invention provides an electronic device having a nanosecond-level fast switching speed, high ON / OFF current ratio, long-term stability, and appropriate processability, and thus, resistance switching for the development of next-generation nonvolatile memory devices. A nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same are provided.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 소자에 외부 전압을 가함으로써, 헴 FeⅢ/FeⅡ산화환원 쌍의 전하 포획/방출을 통해 가역적인 저항 변화를 유도할 수 있는 상부전극과 하부전극 사이에 게재되는 다층박막을 포함하는 스위칭 소자 및 이의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention is applied between the upper electrode and the lower electrode that can induce a reversible resistance change through charge trapping / emission of the heme Fe III / Fe II redox pair by applying an external voltage to the device Provided is a switching device including a multilayer thin film and a method of manufacturing the same.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, According to a preferred embodiment of the present invention,

하부전극;Lower electrode;

상기 하부전극 위에 형성된 활성층; 및An active layer formed on the lower electrode; And

상기 활성층 위에 형성된 상부 전극을 포함하며,An upper electrode formed on the active layer,

상기 활성층은 양전하를 띠는 물질층과 음전하를 띠는 물질층이 교대로 적층된 다층박막이며, 상기 물질층은 적어도 1 종 이상의 단백질을 포함할 수 있다.The active layer is a multilayer thin film in which a positively charged material layer and a negatively charged material layer are alternately stacked, and the material layer may include at least one protein.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기 활성층은 2-100 개의 양전하를 띠는 물질층 및 2-100 개의 음전하를 띠는 물질층이 교대로 적층되어 다층박막을 구성할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the active layer may be formed by alternately stacking 2-100 positively charged material layers and 2-100 negatively charged material layers alternately.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 활성층은 레이어-바이-레이어(layer-by-layer) 자기조립법에 의해 적층될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the active layer may be laminated by a layer-by-layer self-assembly method.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 양전하를 띠는 물질층과 음전하를 띠는 물질층은 각각 독립적으로 (i) pH 조건에 따라 표면 전하가 달라지는 단백질 및 (ii) 정전하를 갖는 고분자로부터 선택될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the positively charged material layer and the negatively charged material layer are each independently (i) a protein whose surface charge varies depending on pH conditions, and (ii) a polymer having an electrostatic charge. Can be selected from.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 단백질은 카탈라아제, 헤모글로빈 및 미오글로빈으로부터 1종 이상 선택되고, 상기 고분자는 폴리(알릴아민하이드로클로라이드), 폴리(스티렌설포네이트) 및 폴리(에틸렌이민)으로부터 1종 이상 선택될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the protein is at least one selected from catalase, hemoglobin and myoglobin, and the polymer is selected from poly (allylaminehydrochloride), poly (styrenesulfonate) and poly (ethyleneimine). One or more may be selected.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, According to another preferred embodiment of the present invention,

본 발명에 따른 스위칭 소자는Switching element according to the invention

하부전극;Lower electrode;

상기 하부전극 위에 형성된 활성층; 및An active layer formed on the lower electrode; And

상기 활성층 위에 형성된 상부 전극을 포함하며,An upper electrode formed on the active layer,

상기 활성층은 2-100 개의 카탈라아제와 2-100 개의 폴리(알릴아민염소산)이 교대로 적층된 다층박막일 수 있다.The active layer may be a multilayer thin film in which 2-100 catalase and 2-100 poly (allylamine hydrochloric acid) are alternately stacked.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, According to another preferred embodiment of the present invention,

본 발명에 따른 스위칭 소자의 제조방법은 기판상에 다층박막을 적층시켜 스위칭 소자를 제조하는 방법에 있어서,In the manufacturing method of the switching device according to the present invention in a method for manufacturing a switching device by laminating a multilayer thin film on a substrate,

(1) 제1 전하로 대전된 기판상에 상기 제1 전하와 반대되는 제2 전하의 대전물질을 적층시키는 단계;(1) depositing a charging material of a second charge opposite to the first charge on a substrate charged with a first charge;

(2) 상기 제2 전하의 대전물질 상에 제1 전하의 대전물질을 적층시키는 단계; 및(2) stacking a charge material of a first charge on the charge material of the second charge; And

(3) 상기 제2 전하의 대전물질 및 제1 전하의 대전물질을 교대로 적층시키는 단계를 2회 내지 100회 반복하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 및 제2 전하의 대전물질 중 적어도 하나는 1종 이상의 단백질을 포함할 수 있다.(3) repeating two to 100 steps of alternately stacking the charged material of the second charge and the charged material of the first charge; and at least one of the charged materials of the first and second charges. May comprise one or more proteins.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 전하의 대전물질 및 제2 전하의 대전물질은 각각 독립적으로 (i) pH 조건에 따라 표면 전하가 달라지는 단백질 및 (ii) 정전하를 갖는 고분자로부터 선택될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the charged material of the first charge and the charged material of the second charge are each independently (i) a protein whose surface charge varies depending on pH conditions and (ii) a polymer having a static charge Can be selected from.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 전하의 대전물질 및 상기 제2 전하의 대전물질이 교대로 적층되어 이루어지는 상기 다층박막은 레이어-바이-레이어(layer-by-layer) 자기조립법에 의해 적층될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the multilayer thin film formed by alternately stacking the charged material of the first charge and the charged material of the second charge is a layer-by-layer self-assembly method. Can be laminated by.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 트랜지스터는 스위칭 소자를 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the invention, the transistor according to the invention may comprise a switching element.

본 발명에 따른 상부전극과 하부전극 사이에 양전하를 띠는 물질층과 음전하를 띠는 물질층이 교대로 적층하여 이루어지고, 상기 물질층은 1 종 이상의 단백질층을 포함하여 이루어지는 다층박막의 활성층을 포함하는 스위칭 소자는 상기 소자에 외부 전압을 가함으로써, 헴 FeⅢ/FeⅡ산화환원 쌍의 전하 포획/방출을 통해 가역적인 저항 변화를 유도할 수 있고, 이러한 산화환원 단백질의 이러한 신규한 전기적 스위칭 특성이 차세대 비휘발성 메모리 소자와 같은 생물기반 전자소자에 응용될 수 있다.A positively charged material layer and a negatively charged material layer are alternately stacked between the upper electrode and the lower electrode according to the present invention, and the material layer includes an active layer of a multilayer thin film including one or more protein layers. The switching device comprising can induce a reversible resistance change through charge capture / release of the heme FeIII / FeII redox pair by applying an external voltage to the device, and this novel electrical switching property of the redox protein It can be applied to bio-based electronic devices such as next-generation nonvolatile memory devices.

또한, 본 발명에서는 산화환원 단백질과 같은 생체물질이 반도체산업 분야에서 비휘발성 메모리 소자의 저항 스위칭 활성물질로 사용될 수 있으며, 이러한 스위칭 특성은 단백질 내부의 가역적 산화환원 부위에 기인함을 알 수 있다.In addition, in the present invention, a biomaterial such as a redox protein may be used as a resistance switching active material of a nonvolatile memory device in the semiconductor industry, and this switching property may be attributed to a reversible redox site inside the protein.

또한, 본 발명에 따른 생물기반 전자소자는 인공물질(예컨대, 금속 나노입자 또는 공액 고분자)이나 전이금속 산화물 대신 천연 생체물질을 직접 사용한다는 점이 두드러진다. Pt 코팅된 기판 위에 음이온성 폴리(알릴아민하이드로클로라이드)(CAT)와 양이온성 고분자전해질(PE)로 구성된 다층 박막을 형성할 수 있다. 다양한 크기와 모양의 기판 위에 두께, 조성 및 기능성이 제어된 박막의 형성을 가능하게 하는, 정전기적 다층(LbL) 조립법을 이용한 것으로 CAT 내의 산화환원 부위에서의 전하 포획/방출을 통해 트랜지스터 메모리에까지 확장될 수 있다.In addition, the bio-based electronic device according to the present invention is distinguished by the direct use of natural biomaterials instead of artificial materials (eg, metal nanoparticles or conjugated polymers) or transition metal oxides. On the Pt-coated substrate, a multilayer thin film composed of anionic poly (allylamine hydrochloride) (CAT) and cationic polyelectrolyte (PE) may be formed. Electrostatic Multilayer (LbL) fabrication, which enables the formation of thin films with controlled thickness, composition and functionality on substrates of various sizes and shapes, extends to transistor memories through charge capture / release from redox sites in CAT Can be.

따라서, 본 발명에 따른 스위칭 소자는 간(카탈라아제), 혈액(헤모글로빈) 또는 근육(미오글로빈)과 같은 생체조직에서 추출한 다양한 단백질을 직접적으로 메모리산업에 적용할 수 있다는 장점이 있다.Therefore, the switching device according to the present invention has an advantage that the various proteins extracted from biological tissues such as liver (catalase), blood (hemoglobin) or muscle (myoglobin) can be directly applied to the memory industry.

기존의 바이오메모리 소자에 관한 다수의 기술에 따르면, 이들 장치는 완충 수용액 내에서 순환 전압전류법에 의해 측정되는, 산화환원 단백질의 전기화학 반응을 이용한 것으로서, 메모리를 구성하기 위하여 전기적으로 구분되는 2개의 위치가 필요한 점과 달리 본 발명에 따른 스위칭 소자를 포함하는 전자장치는 나노초 수준의 빠른 스위칭 속도와 높은 ON/OFF 전류비, 장기 안정성 및 적절한 가공성을 갖춘 차세대 비휘발성 메모리 소자의 개발을 위한, 저항 스위칭 비휘발성 메모리 소자의 제조방법(LbL 조립 산화환원 단백질에 의한 신속한 전기활성박막의 제조는 예외)과 전기적 작동 메커니즘을 적용하였다. 따라서, 본 발명에 따른 스위칭 소자를 포함하는 전자장치는 장치의 구조, 작동 메커니즘, 그리고 장치의 물리적 특징에 있어 기존의 바이오메모리 소자들과는 전혀 다른 특성을 갖는다.According to a number of techniques for existing biomemory devices, these devices utilize electrochemical reactions of redox proteins, measured by cyclic voltammetry, in buffered aqueous solutions, which are electrically separated to form a memory. In contrast to the need for two positions, the electronic device including the switching device according to the present invention is intended for the development of a next generation nonvolatile memory device having a fast switching speed, high ON / OFF current ratio, long-term stability, and appropriate machinability at the nanosecond level, The fabrication method of the resistive switching nonvolatile memory device (except for the rapid production of an electroactive thin film by LbL-assembled redox protein) and the electrical operation mechanism were applied. Therefore, the electronic device including the switching element according to the present invention has a completely different characteristic from the conventional biomemory elements in the structure, the operation mechanism, and the physical characteristics of the device.

따라서, 본 발명에 따른 생체물질을 이용한 스위칭 소자는 산화환원 단백질 박막을 이용하여 고메모리 특성을 가지는 RSNM 및 OFETM 소자에 적용할 수 있으며, 특히, 전기적 조작을 통해 산화환원 단백질의 비휘발성 메모리를 쉽게 얻을 수 있는 효과를 갖는다.Therefore, the switching device using the biomaterial according to the present invention can be applied to RSNM and OFETM devices having high memory characteristics by using a redox protein thin film, and in particular, the nonvolatile memory of the redox protein can be easily manipulated through electrical manipulation. It has an effect that can be obtained.

도 1은 PAH/CAT다층박막의 전기화학적 특성과 두께를 나타낸 그래프이다.
도 1a는 (PAH/CAT)10의 다층박막 코팅된 전극의 순환 전류전압곡선(pH 7.0 PBS, 스캔속도 = 0.05 V·S-1)을 나타낸 그래프로서, 박막은 어닐링하지 않고, CAT의 헴 구조 내의 FⅡ/FeⅢ쌍의 산화환원에 의한 산화환원 반응을 나타낸 것이다.
도 1b는 층 수에 따른 PAH/CAT 다층박막의 QCM 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 1c는 SEM 단면 이미지로부터 측정한, 150 ℃에서 2 시간 동안 어닐링하기 전후의 (PAH/CAT)n=5, 10 및 15 다층박막의 박막 두께를 나타낸 도이다.
도 1c의 삽입된 도면은 15 개의 이중층으로 된 박막의 어닐링 후 SEM 단면 이미지를 나타낸 도이다.
도 1d는 코팅하지 않은 금 전극 및 (PAH/CAT)15 다층박막 코팅된 전극의 순환 전류전압곡선(21 mM H2O2를 포함한 pH 7.0 PBS, 스캔속도 = 0.05 V×s-1)을 나타낸 그래프이다.
도 2는 PAH/CAT 다층박막의 비휘발성 메모리 특성을 나타낸 도이다.
도 2a는 이중층의 수(n)를 5에서 15까지 증가시키면서 측정한 (PAH/CAT)n다층박막 장치의 I-V 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 2b는 스위칭 속도 100 ns에서 측정한, 15 개의 이중층으로 구성된 장치의 사이클링 시험결과를 나타낸 그래프이다.
도 2c는 측정온도를 25 ℃에서 150 ℃로 올리면서 0.1 V 단위로 측정한, 15 개의 이중층으로 구성된 장치의 체류시간을 나타낸 그래프이다.
도 2d는 어닐링을 하지 않은 (PAH/CAT)15 다층박막의 I-V 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 2e는 음전압 스윕 SET 과정에서, 15 개의 이중층으로 구성된 장치의 로그-로그 스케일 I-V 곡선을 선형 피팅한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 PAH/CAT 다층박막을 이용한 트랜지스터 메모리 소자에 관한 것으로서 (PAH/CAT)40의 다층박막을 이용한 OFETM 소자에 관한 그래프이다.
도 3a는 0 V에서 -10 V까지 스윕하면서 측정한 드레인 전류(ID)-드레인 전압(VD)출력곡선을 나타낸 도이다.
도 3b는 10회 반복하여 얻은 드레인 전류-게이트 전압(ID-VG)천이곡선을 나타낸 그래프이다.
도 3c는 체류시간을 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 비휘발성 메모리셀과 LbL 방법에 의해 제작한 트랜지스터의 구조를 나타낸 도로서, 도 4a는 PAH/CAT다중층 RSNM이고, 도 4b는 유기전계효과 트랜지스터 메모리(OFETM) 소자의 모식도이다.
도 5는 PAH/CAT 다중층 위에 적층된 상부전극의 SEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 6은 100 개의 샘플에 대해 측정한 (PAH/CAT)15의 다층박막의 전기적 스위칭 특성을 나타낸 도로서, 붉은 선 안의 약 20 개의 샘플은 불량한 스위칭 특성을 보였다. 따라서, 장치의 출력성능은 약 80 %이었다.
도 7a는 ON 상태에서의 (PAH/CAT)5 다층박막의 CS-AFM 이미지를 나타낸 도이다.
도 7b는 OFF 상태에서의 (PAH/CAT)5 다층박막의 CS-AFM 이미지를 나타낸 도이다.
도 8은 텅스텐 팁 전극을 사용하여 측정한 것으로, 어닐링한 (a) (헤모글로빈/PSS)15(실시예 3) 및 (b) (미오글로빈/PSS)15 다층박막(실시예 4)의 전류-전압 곡선 대기조건에서 폭 1 μs의 펄스전압을 가하여 측정한 그래프이다.
1 is a graph showing the electrochemical properties and thickness of PAH / CAT multilayer thin film.
FIG. 1A is a graph showing a cyclic current voltage curve (pH 7.0 PBS, scan rate = 0.05 V · S −1 ) of a multilayer thin film coated electrode of (PAH / CAT) 10 . The redox reaction by redox of the FII / FeIII pair in the compound is shown.
1B is a graph showing QCM data of a PAH / CAT multilayer thin film according to the number of layers.
FIG. 1C shows the thin film thickness of (PAH / CAT) n = 5, 10 and 15 multilayer thin films before and after annealing at 150 ° C. for 2 hours, measured from SEM cross-sectional images.
1C is an SEM cross-sectional image after annealing of 15 bilayer thin films.
FIG. 1D shows the cyclic current voltage curve (pH 7.0 PBS with 21 mM H 2 O 2 , scan rate = 0.05 V × s −1 ) of the uncoated gold electrode and (PAH / CAT) 15 multilayer thin film coated electrode. It is a graph.
2 is a diagram illustrating nonvolatile memory characteristics of a PAH / CAT multilayer thin film.
Figure 2a is a graph showing the IV curve of the (PAH / CAT) n multilayer thin film device measured while increasing the number n of bilayers from 5 to 15.
FIG. 2B is a graph showing cycling test results for a device consisting of 15 double layers measured at a switching speed of 100 ns.
Figure 2c is a graph showing the residence time of the device consisting of 15 double layers, measured in 0.1V units while increasing the measurement temperature from 25 ℃ to 150 ℃.
Figure 2d is a graph showing the IV curve of (PAH / CAT) 15 multilayer thin film without annealing.
FIG. 2E is a graph illustrating a linear fit of a log-log scale IV curve of a 15 bilayer device during a negative voltage sweep SET process.
3 is a graph illustrating a transistor memory device using a PAH / CAT multilayer thin film and an OFETM device using a multilayer thin film of (PAH / CAT) 40 .
FIG. 3A is a diagram illustrating a drain current ID-drain voltage VD output curve measured while sweeping from 0 V to −10 V. FIG.
3B is a graph showing a drain current-gate voltage (ID-VG) transition curve obtained by repeating ten times.
3c is a graph showing the results of experiments with residence time.
FIG. 4 is a diagram showing the structure of a transistor fabricated by a nonvolatile memory cell and an LbL method. FIG. 4A is a PAH / CAT multilayer RSNM, and FIG. 4B is a schematic diagram of an organic field effect transistor memory (OFETM) device.
5 is a SEM image of an upper electrode stacked on a PAH / CAT multilayer.
FIG. 6 shows the electrical switching characteristics of the multilayer thin film of (PAH / CAT) 15 measured for 100 samples. About 20 samples in the red line showed poor switching characteristics. Thus, the output performance of the device was about 80%.
7A shows a CS-AFM image of a (PAH / CAT) 5 multilayer thin film in an ON state.
7B is a diagram showing a CS-AFM image of a (PAH / CAT) 5 multilayer thin film in an OFF state.
8 is a measurement using a tungsten tip electrode, the current-voltage of (a) (hemoglobin / PSS) 15 (Example 3) and (b) (myoglobin / PSS) 15 multilayer thin film (Example 4) annealed This is a graph measured by applying a pulse voltage of 1 μs in a curved atmospheric condition.

본 발명에 따른 스위칭 소자는Switching element according to the invention

하부전극;Lower electrode;

상기 하부전극 위에 형성된 활성층; 및An active layer formed on the lower electrode; And

상기 활성층 위에 형성된 상부 전극을 포함하며,An upper electrode formed on the active layer,

상기 활성층은 양전하를 띠는 물질층과 음전하를 띠는 물질층이 교대로 적층된 다층박막이며, 상기 물질층은 적어도 1 종 이상의 단백질을 포함하는 것을 특징으로 한다.The active layer is a multilayer thin film in which a positively charged material layer and a negatively charged material layer are alternately stacked, and the material layer includes at least one protein.

본 발명에 따른 스위칭 소자의 활성층은 2-100 개의 양전하를 띠는 물질층 및 2-100 개의 음전하를 띠는 물질층이 교대로 적층되어 다층박막을 구성하는 것이 바람직하고, 5-80 개의 양전하를 띠는 물질층 및 5-80 개의 음전하를 띠는 물질층이 교대로 적층되어 다층박막을 구성하는 것이 더욱 바람직하며, 5-50 개의 양전하를 띠는 물질층 및 5-50 개의 음전하를 띠는 물질층이 교대로 적층되어 다층박막을 구성하는 것이 가장 바람직한데, 2 개 미만이면 막 두께가 너무 얇아서 터널링 전류로 인한 다량의 누설전류가 발생하므로 바람직하지 않고, 100 개를 초과하면 ON/OFF 전류비가 더 이상 상승하지 않아 경제적 손실이 있어 바람직하지 않다. 특히, 5-50 개인 경우에는 전기적 스위칭 특성에 있어서, ON/OFF 상태에서의 전기적 안정성이 매우 우수하여 바람직하다.In the active layer of the switching device according to the present invention, it is preferable that 2-100 positively charged material layers and 2-100 negatively charged material layers are alternately stacked to form a multilayer thin film. More preferably, the band-like material layer and the 5-80 negatively charged material layer are alternately stacked to form a multilayer thin film, and the 5-50 positively charged material layer and the 5-50 negatively charged material. It is most preferable to form a multilayer thin film by alternately stacking layers. If the thickness is less than 2, the film thickness is so thin that a large amount of leakage current is generated due to the tunneling current. It is not desirable to rise anymore because there is economic loss. In particular, in the case of 5-50 individuals, it is preferable because the electrical stability in the ON / OFF state is very excellent in the electrical switching characteristics.

따라서, 상기 범위 내의 양전하를 띠는 물질층 및 음전하를 띠는 물질층의 개수로 한정하는 것은 본 발명이 목적하는 전기적 스위칭 특성의 효과를 상승적으로 향상시킬 수 있다는 측면에서 가장 바람직하다.Therefore, limiting the number of positively charged material layers and negatively charged material layers within the above range is most preferable in view of synergistically improving the effect of the desired electrical switching characteristics.

상기 활성층은 레이어-바이-레이어(layer-by-layer) 자기조립법에 의해 적층될 수 있다.The active layer may be deposited by layer-by-layer self-assembly.

본 발명에 따른 스위칭 소자의 활성층에 있어서, 상기 양전하를 띠는 물질층과 음전하를 띠는 물질층은 각각 독립적으로 (i) pH 조건에 따라 표면 전하가 달라지는 단백질 및 (ii) 정전하를 갖는 고분자로부터 선택될 수 있다.In the active layer of the switching device according to the present invention, the positively charged material layer and the negatively charged material layer are each independently (i) a protein whose surface charge varies depending on pH conditions and (ii) a polymer having an electrostatic charge. Can be selected from.

상기 단백질은 금속이온을 포함하고 산화환원이 가능하면 특별히 한정이 없고, 카탈라아제, 헤모글로빈 및 미오글로빈 등으로부터 1 종 이상 선택될 수 있다. 상기 고분자는 정전하를 갖는 고분자이면 특별히 한정이 없고 상기 고분자는 폴리(알릴아민하이드로클로라이드), 폴리(스티렌설포네이트) 및 폴리(에틸렌이민)으로부터 1종 이상 선택될 수 있다.The protein is not particularly limited as long as the protein contains a metal ion and redox is possible, and may be selected from catalase, hemoglobin, myoglobin and the like. The polymer is not particularly limited as long as it is a polymer having an electrostatic charge, and the polymer may be at least one selected from poly (allylamine hydrochloride), poly (styrenesulfonate), and poly (ethyleneimine).

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 카탈라아제(CAT)는 각각 500개 이상의 아미노산으로 이루어지는 4개의 폴리펩티드 사슬로 구성되고, pI(등전점)는 약 5.6이다. 상기 CAT는 pH 변화에 따라 표면전하를 달리하는 성질을 가지고 있다. 따라서, CAT는 pH < 5.6에서 양전하를 띠며 pH > 5.6에서는 음전하를 띤다. 폴리(알릴아민염소산)(PAH)은 벌크 용액에서 pKa(고분자의 작용기의 50%가 이온화되었을 때의 pH 값)가 약 9이므로, CAT와 PAH가 pH > 5.6에서 각각 음전하종 및 양전하종으로 사용될 수 있다. pH에 의존하는 이러한 정전기적 특성에 기초하여, 양이온성 PAH와 음이온성 CAT의 LbL 조립을 pH 9에서 금 전극 상에서 실시할 수 있다.According to one preferred embodiment of the invention, the catalase (CAT) is composed of four polypeptide chains each consisting of 500 or more amino acids, pI (isoelectric point) is about 5.6. The CAT has a property of changing the surface charge according to the pH change. Thus, CAT is positively charged at pH <5.6 and negatively charged at pH> 5.6. Poly (allylamine hydrochloric acid) (PAH) has a pKa (pH value when 50% of the functional groups of the polymer are ionized) in the bulk solution, so that CAT and PAH can be used as negative charge species and positive charge species at pH> 5.6, respectively. Can be. Based on this electrostatic property, which depends on pH, LbL assembly of cationic PAH and anionic CAT can be carried out on gold electrodes at pH 9.

따라서, 본 발명에 따른 스위칭 소자는Therefore, the switching element according to the present invention

하부전극;Lower electrode;

상기 하부전극 위에 형성된 활성층; 및An active layer formed on the lower electrode; And

상기 활성층 위에 형성된 상부 전극을 포함하며,An upper electrode formed on the active layer,

상기 활성층은 2-100 개의 카탈라아제와 2-100 개의 폴리(알릴아민염소산)이 교대로 적층된 다층박막일 수 있다.The active layer may be a multilayer thin film in which 2-100 catalase and 2-100 poly (allylamine hydrochloric acid) are alternately stacked.

상기와 같이 본 발명에 따른 스위칭 소자의 활성층은 LbL 조립법에 의해 양전하를 띠는 물질층과 음전하를 띠는 물질층이 교대로 적층되어 다층박막으로 이루어지고, 상기 물질층은 적어도 1 종의 단백질을 포함함으로써, 전기화학적 산화환원특성을 나타낸다. 이는 단백질층 내에서 헴 FeIII/FeII 산화환원 쌍의 산화 및 환원에 의한 것인데, 상기 활성층에 외부 전합을 가함으로써 헴 FeIII/FeII 산화환원 쌍의 전하 포획/방출을 통해 가역적인 저항변화를 유도할 수 있다.As described above, in the active layer of the switching device according to the present invention, a positively charged material layer and a negatively charged material layer are alternately stacked by LbL assembling, and thus the multilayer is formed of a multilayer thin film. By including, electrochemical redox characteristic is shown. This is due to the oxidation and reduction of the heme FeIII / FeII redox pair in the protein layer, which can induce a reversible resistance change through charge capture / release of the heme FeIII / FeII redox pair by applying external electrolysis to the active layer. have.

상기 PAH/CAT 다층박막의 산화환원 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.The redox reaction of the PAH / CAT multilayer thin film can be expressed as follows.

(1) CAT-Fe + H2O2 → [CAT-FeIV=O]* + H2O(1) CAT-Fe III + H 2 O 2 → [CAT-Fe IV = O] * + H 2 O

(2) [CAT-FeIV=O]* + H2O2 → CAT-Fe + O2+ H2O(2) [CAT-Fe IV = O] * + H 2 O 2 → CAT-Fe III + O 2 + H 2 O

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 제 1 전하로서 음이온이 대전된 기판상에 상기 제1 전하와 반대되는 제 2 전하인 양이온이 대전된 물질층이 적층되고, 상기 제 2 전하인 양이온이 대전된 물질층 상에 제 1 전하인 음이온이 대전된 물질층이 적층된다. 여기에서, 상기 양이온이 대전된 물질층 또는 음이온이 대전된 물질층은 상술한 바와 같이 pH조건에 따라 표면 전하를 달리하는 단백질 및 정전하를 갖는 고분자로부터 1 종 이상 선택되므로 본 발명의 일 실시예에서는 5.6 이하인 pH조건을 이용, 상기 단백질을 양이온으로 대전시킨다. 이와 같이 pH 조건에 따라 음이온 또는 양이온을 가질 수 있는 어떠한 단백질과 정전하를 갖는 고분자도 본 발명에 따른 다층박막의 활성층에 사용될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위에 속한다.According to still another preferred embodiment of the present invention, a cation-charged material layer of a second charge opposite to the first charge is stacked on a substrate on which an anion is charged as a first charge, and a cation that is the second charge is deposited. On the charged material layer, a material layer in which an anion as a first charge is charged is stacked. Herein, the cation-charged material layer or the anion-charged material layer is selected from one or more kinds of polymers having different surface charges and polymers having static charges according to pH conditions as described above. In the above, the protein is charged with a cation using a pH condition of 5.6 or less. As such, any protein capable of having an anion or a cation and a polymer having an electrostatic charge may be used in the active layer of the multilayer thin film according to the present invention, which is within the scope of the present invention.

양이온의 표면 전하를 갖는 물질층은 전기적 인력에 의하여 음이온의 기판상에 적층된다. 제 1 및 제 2 전하가 상호 인력을 발생시키는 경우라면 필요에 따라 제 1 전하를 양이온, 제 2 전하를 음이온으로 변경하여 사용하여도 무방하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
The layer of material having the surface charge of the cation is deposited on the substrate of the anion by electrical attraction. As long as the first and second charges generate mutual attraction, the first charge may be changed to a cation and a second charge to an anion as necessary, which is also within the scope of the present invention.

본 발명에 따른 스위칭 소자의 제조방법은The manufacturing method of the switching element according to the present invention

기판상에 다층박막을 적층시켜 스위칭 소자를 제조하는 방법에 있어서,In the method of manufacturing a switching device by laminating a multilayer thin film on a substrate,

(1) 제1 전하로 대전된 기판상에 상기 제1 전하와 반대되는 제2 전하의 대전물질을 적층시키는 단계;(1) depositing a charging material of a second charge opposite to the first charge on a substrate charged with a first charge;

(2) 상기 제2 전하의 대전물질 상에 제1 전하의 대전물질을 적층시키는 단계; 및(2) stacking a charge material of a first charge on the charge material of the second charge; And

(3) 상기 제2 전하의 대전물질 및 제1 전하의 대전물질을 교대로 적층시키는 단계를 2회 내지 100회 반복하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 및 제2 전하의 대전물질 중 적어도 하나는 1종 이상의 단백질을 포함하는 것을 특징으로 한다.(3) repeating two to 100 steps of alternately stacking the charged material of the second charge and the charged material of the first charge; and at least one of the charged materials of the first and second charges. Is characterized in that it comprises one or more proteins.

본 발명에 있어서, 상기 제1 전하의 대전물질 및 제2 전하의 대전물질은 각각 독립적으로 (i) pH 조건에 따라 표면 전하가 달라지는 단백질 및 (ii) 정전하를 갖는 고분자로부터 선택될 수 있다.In the present invention, the charged material of the first charge and the charged material of the second charge may be independently selected from (i) a protein having a surface charge that varies according to pH conditions and (ii) a polymer having a static charge.

상기 단백질은 금속이온을 포함하고 산화환원이 가능하면 특별히 한정이 없고, 카탈라아제, 헤모글로빈 및 미오글로빈 등으로부터 1 종 이상 선택될 수 있다. 상기 고분자는 정전하를 갖는 고분자이면 특별히 한정이 없고 상기 고분자는 폴리(알릴아민하이드로클로라이드), 폴리(스티렌설포네이트) 및 폴리(에틸렌이민)으로부터 1종 이상 선택될 수 있다.The protein is not particularly limited as long as the protein contains a metal ion and redox is possible, and may be selected from catalase, hemoglobin, myoglobin and the like. The polymer is not particularly limited as long as it is a polymer having an electrostatic charge, and the polymer may be at least one selected from poly (allylamine hydrochloride), poly (styrenesulfonate), and poly (ethyleneimine).

본 발명에 있어서, 상기 양전하를 띠는 물질층과 음전하를 띠는 물질층이 교대로 적층되어 다층박막으로 이루어질 때, 레이어-바이-레이어(layer-by-layer) 자기조립법에 의해 적층될 수 있다.In the present invention, when the positively charged material layer and the negatively charged material layer are alternately stacked to form a multilayer thin film, the positively charged material layer may be laminated by a layer-by-layer self-assembly method. .

본 발명에 따른 트랜지스터는 본 발명에 따른 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.The transistor according to the invention is characterized in that it comprises a switching element according to the invention.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백하다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and the like, but the scope and contents of the present invention are not limited or interpreted by the following examples. Moreover, it is clear that a person skilled in the art can easily carry out the present invention, in which no experimental results are specifically presented, based on the disclosure of the present invention including the following examples.

실시예Example  And 비교예Comparative example

실시예Example 1 One

카탈라아제(CAT)(소의 간에서 추출, Aldrich) 및 PAH(Mw=70 000, Aldrich)를 준비하였으며, 상기 카탈라아제와 PAH의 용액 내 농도는 모두 1 mg·mL-1이었다. CAT 및 PAH 용액의 pH는 9로 조절하였다. pH 9에서 측정된 PAH와 CAT의 제타포텐셜 값은 각각 약 +25 mV와 -40 mV였다. CAT는 pH 9에서 음이온성 성분으로 사용되었다. Pt 코팅된 Si 기판을 UV 광으로 처리하여 음이온성 표면을 갖도록 하였다. 처리된 기판을 먼저 양이온성 PAH 용액(0.5 M NaCl 함유)에 10 분간 담그고, 물에 1 분간 담가 2 회 세척한 후, 온화한 질소 흐름 하에 공기 건조하였다. 그런 다음, 동일한 흡착, 세척 및 건조 과정을 거쳐, PAH 코팅된 기판 위에 음이온성 CAT를 적층한 후, 상기 과정을 9 회 더 실시하여 (PAH/CAT)10의 다층박막을 형성하였으며 이렇게 얻어진 다층 박막을 150 ℃에서 2 시간 동안 공기 조건 하에서 어닐링하였다.Catalase (CAT) (extracted from bovine liver, Aldrich) and PAH (Mw = 70 000, Aldrich) were prepared, and the concentrations of the catalase and PAH in the solution were all 1 mg · mL −1. The pH of the CAT and PAH solutions was adjusted to 9. The zeta potential values of PAH and CAT measured at pH 9 were about +25 mV and -40 mV, respectively. CAT was used as anionic component at pH 9. The Pt coated Si substrate was treated with UV light to have an anionic surface. The treated substrate was first immersed in a cationic PAH solution (containing 0.5 M NaCl) for 10 minutes, immersed in water for 1 minute twice, and then air dried under a gentle nitrogen stream. Then, after the same adsorption, washing and drying, the anionic CAT was laminated on the PAH coated substrate, and then the above procedure was performed nine more times to form a multilayer thin film of (PAH / CAT) 10 . Was annealed at 150 ° C. for 2 hours under air conditions.

상기 형성된 (PAH/CAT)10의 다층박막은 pH 7.0 인산완충액(PBS) 내에서 CAT에 의한 전기화학적 산화환원 특성을 보였다(도 1a). -0.6~1.0 V의 전압 범위에서, 산화 피크는 약 + 0.12 V에서, 환원 피크는 약 -0.13 V에서 관찰되었는데, 상기 산화/환원 피크는 CAT 층 내에서 FeⅢ/FeⅡ산화환원 쌍의 산화 및 환원에 의한 것임을 알 수 있다.
The formed multilayer thin film of (PAH / CAT) 10 showed electrochemical redox characteristics by CAT in pH 7.0 phosphate buffer (PBS) (FIG. 1A). In the voltage range of -0.6 V to 1.0 V, the oxidation peak was observed at about + 0.12 V and the reduction peak was at about -0.13 V, which is the oxidation / reduction peak of oxidation and reduction of the FeIII / FeII redox pair in the CAT layer. It can be seen that.

실시예Example 2 2

(PAH/CAT)40의 다층박막을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
(PAH / CAT) It was manufactured in the same manner as in Example 1 except that a multilayer thin film of 40 was formed.

실시예Example 3 3

헤모글로빈(인체에서 추출, Aldrich) 및 PSS(Mw=70000, Aldrich)를 준비하였고, 상기 헤모글로빈과 PSS의 용액 내 농도는 모두 1 mg·mL-1이었다. 헤모글로빈과 PSS용액의 pH는 5.5로 조절하였다. PSS는 pH 범위에 무관하게 음이온을 띠고, 헤모글로빈은 pH 5.5에서 양이온성 성분으로 사용되었다. Pt 코팅된 Si 기판을 UV 광으로 처리하여 음이온성 표면을 갖도록 하였다. 처리된 기판을 먼저 양이온성 헤모글로빈 용액(0.5 M NaCl 함유)에 10 분간 담그고, 물에 1 분간 담가 2 회 세척한 후, 온화한 질소 흐름 하에 공기 건조하였다. 이어서, 동일한 흡착, 세척 및 건조 과정을 거쳐, 헤모글로빈 코팅된 기판 위에 음이온성 PSS를 적층한 후, 상기 과정을 14 회 더 실시하여 (헤모글로빈/PSS)15의 다층박막을 형성하였으며 이렇게 얻어진 다층 박막을 150 ℃에서 2 시간 동안 공기 조건 하에서 어닐링하였다.
Hemoglobin (extracted from human body, Aldrich) and PSS (Mw = 70000, Aldrich) were prepared, and the concentrations in the solution of both hemoglobin and PSS were 1 mg · mL −1. The pH of hemoglobin and PSS solution was adjusted to 5.5. PSS is anionic regardless of pH range and hemoglobin was used as cationic component at pH 5.5. The Pt coated Si substrate was treated with UV light to have an anionic surface. The treated substrate was first immersed in a cationic hemoglobin solution (containing 0.5 M NaCl) for 10 minutes, immersed in water for 1 minute twice, and then air dried under a gentle nitrogen stream. Subsequently, after the same adsorption, washing and drying process, anionic PSS was deposited on the hemoglobin-coated substrate, and the above procedure was performed 14 times to form a multilayer thin film of (hemoglobin / PSS) 15 . Annealed at 150 ° C. for 2 hours under air conditions.

실시예Example 4 4

상기 헤모글로빈을 미오글로빈으로 대신하는 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 제조하였다.
It was prepared in the same manner as in Example 3 except for replacing the hemoglobin with myoglobin.

비교예Comparative example 1 One

어떠한 물질로도 코팅하지 않은 전극을 준비하였고, 전기 화학적 산화환원 특성을 측정하였다. 그러나, 비교예 1은 -0.6~1.0 V의 전압 범위에서 전류 응답을 나타내지 않았다. 따라서, 비교예 1은 산화환원 반응을 일으키지 않음을 알 수 있다.
Electrodes not coated with any material were prepared and the electrochemical redox properties were measured. However, Comparative Example 1 did not show a current response in the voltage range of -0.6 to 1.0 V. Therefore, it can be seen that Comparative Example 1 does not cause a redox reaction.

비교예Comparative example 2 2

절연성 고분자전해질 다층박막인 (PAH/폴리(스티렌설포네이트))10다층박막을 제조하였고, 상기 다층박막을 이용하여 전극을 개질시킨 후, 전기 화학적 산화환원 특성을 측정하였다. 그러나, 비교예 2는 -0.6~1.0 V의 전압 범위에서 전류 응답을나타내지 않았다. 따라서, 비교예 2는 산화환원 반응을 일으키지 않음을 알 수 있다.
10 multilayer thin films (PAH / poly (styrenesulfonate)), which is an insulating polymer electrolyte multilayer thin film, were prepared, and after the electrode was modified using the multilayer thin film, electrochemical redox characteristics were measured. However, Comparative Example 2 did not show a current response in the voltage range of -0.6 to 1.0 V. Therefore, it can be seen that Comparative Example 2 does not cause a redox reaction.

실시예Example 5 5

(PAH/CAT)5의 다층박막을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
It was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the multilayer thin film of (PAH / CAT) 5 was formed.

실시예Example 6 6

(PAH/CAT)15의 다층박막을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
It was prepared in the same manner as in Example 1 except that a multilayer thin film of (PAH / CAT) 15 was formed.

실시예Example 7 7

(PAH/CAT)30의 다층박막을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
(PAH / CAT) It was manufactured in the same manner as in Example 1 except that a multilayer thin film of 30 was formed.

저항 스위칭 메모리 소자의 제작Fabrication of Resistive Switching Memory Devices

모든 샘플은 약 100 nm 두께의 SiO2층을 갖는 Si 기판(2 cm × 2 cm) 상에 형성하였다. 이어서, 20 nm 두께의 Ti 층을 기판 위에 적층하고, DC 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하여 하부전극(Pt)을 적층하였다. 이어서, Pt 코팅된 Si 기판 위에 실시예 1-3의 다층박막을 각각 형성하였다. 얻어진 다층 박막을 150 ℃에서 2 시간 동안 공기 조건에서 어닐링하였다. 결과적으로, 직경 100 ㎛의 상부전극이 나노복합체막 위에 적층되었다(도 5).All samples were formed on a Si substrate (2 cm × 2 cm) with a SiO 2 layer about 100 nm thick. Subsequently, a Ti layer having a thickness of 20 nm was stacked on the substrate, and the lower electrode Pt was stacked using a DC magnetron sputtering apparatus. Subsequently, the multilayer thin films of Examples 1-3 were each formed on a Pt-coated Si substrate. The resulting multilayer thin film was annealed at 150 ° C. for 2 hours under air conditions. As a result, an upper electrode having a diameter of 100 μm was stacked on the nanocomposite film (FIG. 5).

LbL 다중층 장치의 저항 스위칭 특성을 조사하기 위하여, 반도체 파라미터 분석기(SPA, Agilent 4155B)를 사용하여 공기 조건에서 전류-전압(I-V)을 측정하였다. 고전류 및 저전류 상태의 펄스전압 지속시간에 대한 의존도를, 반도체 파라미터 분석기(HP 4155A)와 펄스발생기(Agilent 81104A)를 사용하여 조사하였다. 장치의 상부전극으로 Ag 전극을 이용하였으나, Au, Pt 또는 텅스텐을 사용하였을 때에도 비슷한 스위칭 특성이 관찰되었다. 이는 Ag 전극이 LbL(PE /효소 또는 헤모글로빈)n 다중층의 저항 스위칭 특성에 별다른 영향을 미치지 않는다는 점을 나타낸 것이다.In order to investigate the resistance switching characteristics of the LbL multilayer device, the current-voltage (IV) was measured under air conditions using a semiconductor parameter analyzer (SPA, Agilent 4155B). The dependence on the pulse voltage duration of the high current and low current states was investigated using a semiconductor parameter analyzer (HP 4155A) and a pulse generator (Agilent 81104A). Ag electrodes were used as the top electrodes of the device, but similar switching characteristics were observed when Au, Pt or tungsten were used. This indicates that the Ag electrode has little effect on the resistance switching characteristics of the LbL (PE / enzyme or hemoglobin) n multilayer.

장치의 저항 스위칭 메모리 특성을 측정하기 위하여, 50 개 이상의 샘플을 제작하여 시험하였다. 각 샘플은 수백 개의 전극을 갖도록 제작하였다. 약 100 개의 샘플로부터 전기적 스위칭 특성이 확인되었는데 스위칭율은 약 80 %로 우수한 결과가 얻어졌다(도 6).
In order to measure the resistance switching memory characteristics of the device, more than 50 samples were made and tested. Each sample was made with hundreds of electrodes. Electrical switching characteristics were confirmed from about 100 samples, with a good switching rate of about 80% (FIG. 6).

메모리 트랜지스터의 제작Fabrication of Memory Transistors

Si 기판 상에 가열 성장된 200 nm 두께의 SiO2층과 40 개의 PAH/CAT 이중층(실시예 2)으로 구성된 이중 절연체의 상부접촉 구조를 갖는 펜타센계 유기전계효과 트랜지스터 메모리를 설계하였다. 먼저, SiO2기판을 아세톤과 이소프로필알코올로 각각 10 분간 세척한 후, 증류수로 헹구고 질소로 건조하였다. 이어서, SiO2절연층 상에 40 개의 PAH/CAT 이중층을 LbL 조립을 통해 형성하였다. 진공챔버 안에서 섀도우마스크를 사용하여 펜타센을 열증착하였다(압력 ~3×10-6 Torr, 두께 500 Å, 증착속도 0.5 Å/s). 이어서, 진공챔버 안에서 폭/길이(W/L) 비 1000/100 ㎛인 섀도우마스크를 사용하여 금과 드레인 전극을 열증착에 의해 증착하였다(압력 ~3×10-6 Torr,두께 1000 Å, 증착속도 5 Å/s). Agilent 4155B 반도체 파라미터 분석기를 사용하여 전류-전압 특성을 측정하였다. 모든 측정은 대기조건의 암실에서 실시하였다.A pentacene organic field effect transistor memory having a double insulator top contact structure composed of a 200 nm thick SiO 2 layer and 40 PAH / CAT bilayers (Example 2) was grown on a Si substrate. First, the SiO 2 substrate was washed with acetone and isopropyl alcohol for 10 minutes, and then rinsed with distilled water and dried with nitrogen. 40 PAH / CAT bilayers were then formed on the SiO 2 insulating layer via LbL assembly. Pentacene was thermally deposited using a shadow mask in a vacuum chamber (pressure ˜3 × 10 −6 Torr, thickness 500 Pa, deposition rate 0.5 Pa / s). Subsequently, gold and drain electrodes were deposited by thermal evaporation using a shadow mask having a width / length (W / L) ratio of 1000/100 μm in a vacuum chamber (pressure ˜3 × 10 −6 Torr, thickness 1000 Pa, deposition). Speed 5 Å / s). Current-voltage characteristics were measured using an Agilent 4155B semiconductor parameter analyzer. All measurements were made in the dark at atmospheric conditions.

제타포텐셜Zeta Potential 측정 Measure

각 미셀의 직경이 600 nm인 실리카 입자에 교번하여 흡착되었을 때 전기영동 광산란 분광광도계(ELS-8000)를 사용하여 카탈라아제의 제타포텐셜을 측정하였다.Zeta potential of catalase was measured using an electrophoretic light scattering spectrophotometer (ELS-8000) when the micelles were alternately adsorbed onto silica particles having a diameter of 600 nm.

(PAH/CAT)2 코팅된 실리카 입자는 다음과 같이 제조하였다.(PAH / CAT) 2 coated silica particles were prepared as follows.

0.5 mL의 PAH(1 mg·mL-1 at pH9)를 음전하를 띠는 600 nm 실리카 입자에 가하였다. 20 분 후, 3 회의 원심분리(7000 g, 5분)/세척 사이클을 통해 여분의 카탈라아제를 제거하였다. 이어서, 같은 조건 하에서 CAT(1 mg·mL-1 at pH9)를 카탈라아제 코팅된 PS 입자에 적층하였다. 이러한 과정을 4 개의 층이 적층될 때까지 반복한 후, 얻어진 콜로이드의 제타포텐셜을 pH를 0에서 4까지 증가시키면서 측정하였다.
0.5 mL of PAH (1 mg · mL -1 at pH9) was added to the negatively charged 600 nm silica particles. After 20 minutes, excess catalase was removed via three centrifugation (7000 g, 5 minutes) / wash cycles. CAT (1 mg · mL −1 at pH9) was then laminated to the catalase coated PS particles under the same conditions. This process was repeated until four layers were laminated, and then the zeta potential of the resulting colloid was measured with increasing pH from 0 to 4.

QCMQCM 측정 Measure

QCM 기기(QCM200, SRS)를 이용하여, 각 흡착단계 후에 적층된 물질의 질량을 측정하였다. QCM 전극의 공진주파수는 약 5 MHz이었다. PAH, PSS 및 생체물질의 흡착질량 △m은 QCM 주파수의 변화량 △F로부터, 사우어브레이 방정식[△F(Hz)=-56.6x△m A , 여기에서 △m A 는 석영결정의 단위면적에 당 질량 변화량(μg·㎝-2)]을 이용하여 계산하였다.
Using a QCM instrument (QCM200, SRS), the mass of the material deposited after each adsorption step was measured. The resonance frequency of the QCM electrode was about 5 MHz. Adsorption mass △ m of PAH, PSS and biological material is the change amount of QCM frequency △ F , sourbray equation [△ F (Hz) = -56.6xΔ m A , where Δ m A per unit area of the quartz crystal Mass change amount (μg · cm −2 )].

표면 형태분석Surface Morphology Analysis

Si 기판 위에 형성된 효소 다중층의 형태와 거칠기를 원자간력 현미경(AFM, SPA400, SEIKO)을 사용하여 태핑 모드에서 측정하였다.
The shape and roughness of the enzyme multilayer formed on the Si substrates were measured in tapping mode using atomic force microscopy (AFM, SPA400, SEIKO).

전류감지 Current sensing 원자간력Atomic force (( atomatom forceforce ) 현미경 측정A) microscopic measurement

전류감지 원자간력 현미경(CS-AFM, e-sweep, SEIKO)을 사용하여 나노스케일의 국소 전류지도를 측정하였다. CS-AFM 측정에는, Ag 전극 대신 직경 약 7 ㎛의 CS-AFM 팁(Pt 팁)을 상부전극으로 사용하였다.
A local current map of the nanoscale was measured using a current sensing atomic force microscope (CS-AFM, e-sweep, SEIKO). In the CS-AFM measurement, a CS-AFM tip (Pt tip) having a diameter of about 7 μm was used as the upper electrode instead of the Ag electrode.

다층박막의 정량적 성장을 석영결정 미량무게분석(QCM)을 통해 관찰하였다. 도 1b는 층 수의 증가에 따른 주파수의 변화 -△F와 흡착된 PAH 및 카탈라아제의 질량 변화를 도시한 것이다. 질량 변화는 주파수 변화로부터 계산하였다. 이러한 QCM 주파수(또는 질량)의 변화는 PAH와 카탈라아제가 용액으로부터 LbL 조립될 때 다층 박막이 규칙적으로 성장한다는 것을 의미한다. PAH와 CAT가 교대로 적층되었으며, 각 층의 -△F는 30±2(△m=~533.6 ng·㎝-2)와 83.8±4 Hz(△m=~1480.6 ng·㎝-2)이었다. LbL 조립을 통해 층의 두께와 수용성 CAT의 흡착량을 정밀하게 제어할 수 있었다. LbL 적층 후, 박막 내에 잔류하는 물을 완전히 제거하고 밀집된 구조를 형성하기 위해 형성된 다층박막을 150 ℃에서 2 시간 동안 어닐링하였다(도 1c). Quantitative growth of multilayer thin films was observed through quartz crystal microgravimetric analysis (QCM). Figure 1b shows the change in frequency with increasing number of layers -Δ F and the mass change of adsorbed PAH and catalase. Mass change was calculated from frequency change. This change in QCM frequency (or mass) means that multilayer thin films grow regularly when PAH and catalase are assembled LbL from solution. PAH and CAT were alternately stacked, and-△ F of each layer was 30 ± 2 (△ m = ~ 533.6 ng · cm -2 ) and 83.8 ± 4 Hz (△ m = ~ 1480.6 ng · cm -2 ). LbL assembly enabled precise control of the layer thickness and the amount of water-soluble CAT adsorbed. After the LbL lamination, the multilayer thin film formed to completely remove water remaining in the thin film and form a dense structure was annealed at 150 ° C. for 2 hours (FIG. 1C).

이 과정에서, (PAH/CAT)15 다층박막의 두께가 52 nm에서 49 nm로 감소하였다. H2O2에 대한 촉매활성을 통해 측정한 PAH/CAT 다층박막의 생물학적 산화환원 활성은 어닐링 후에 감소하였으나, 다층박막은 여전히 고유한 촉매 특성을 보였다(도 1d).In this process, the thickness of the (PAH / CAT) 15 multilayer thin film was reduced from 52 nm to 49 nm. The biological redox activity of the PAH / CAT multilayer thin film measured through catalytic activity on H 2 O 2 decreased after annealing, but the multilayer thin film still showed unique catalytic properties (FIG. 1D).

도 1을 참고로 하면, 본 발명에 사용되는 CAT는 CAT의 고유한 생물학적 특성이 아닌, CAT 내에 존재하는 전이금속 이온(FeⅢ/FeⅡ)에 의한 전하 포획/방출을 이용하는 것이다.Referring to FIG. 1, the CAT used in the present invention utilizes charge trapping / emission by transition metal ions (FeIII / FeII) present in CAT, rather than the inherent biological properties of CAT.

상기의 결과를 기초로 하여, 본 발명에 따른 (PAH/CAT)n다층박막을 기반으로 하는 비휘발성 메모리 소자를 제조하였다(도 4a 및 4b). LbL 조립법에 의해 제조된 고정된 CAT박막은 비교적 두껍고 밀집하게 형성된 박막으로 인해 전기적 스위칭 특성을 효과적으로 나타낸다. 자기조립 단분자막(SAM) 또는 단순히 스핀코팅에 의한 단일막 형성과 같은 다른 화학적 방법도 시도해 보았으나, 막 두께가 너무 얇아서(< 10 nm) 터널링 전류로 인한 다량의 다량의 누설전류가 발생하였다.Based on the above results, a nonvolatile memory device based on the (PAH / CAT) n multilayer thin film according to the present invention was fabricated (FIGS. 4A and 4B). The fixed CAT thin film produced by the LbL assembly method effectively exhibits electrical switching characteristics due to the relatively thick and dense thin film. Other chemical methods, such as self-assembled monolayer (SAM) or simply forming a single layer by spin coating, have also been tried, but the film thickness is too thin (<10 nm) resulting in a large amount of leakage current due to tunneling current.

또한, (PAH/CAT)n(여기에서, n은 5, 10, 15, 30)의 다층박막을 포함하는 메모리 소자 및 트랜지스터를 제조하여 실험결과를 측정하였다.In addition, a memory device and a transistor including a (PAH / CAT) n (where n is 5, 10, 15, and 30) multilayer thin films were manufactured to measure the experimental results.

먼저, 공기 중에서 전압을 가하면서 비휘발성 메모리셀의 전기적 특성을 측정하였다. Pt와 Ag를 각각 하부 및 상부전극으로 사용하였다. 2극 스위칭 측정을 위해 전압을 -1.8 V에서 +1.8 V까지, 그리고 다시 -1.8 V까지 스윕하였다. 전류는 최대 100 mA로 제한하였다. 최초의 전기주조 단계(다층박막 내에 전도성 통로가 형성) 후에 고전류 상태(스캔 범위 ±1.8 V 이상)가 있은 후, (PAH/CAT)n(여기에서, n=5,10,15)의 다층박막 장치에 가해진 전압의 극성이 바뀌자 +1.8V에서 갑자기 저전류 상태로 전환되었다. 또한, 이중층의 수가 증가하자(즉, 다층박막의 두께가 증가하자) 전류, 특히 OFF 전류가 상당히 낮아졌는데, 이는 박막의 두께가 증가하였기 때문이다(도 2a). 결국, 이들 장치의 ON/OFF 전류비는 최대 102 이상까지 증가하였다. 15개의 이중층으로 구성된 PAH/CAT 박막 장치의 사이클링 및 체류시간을 +0.1 V 단위로 측정하여 ON 및 OFF 상태에서의 전기적 안정성을 평가하였다(도 2b 및 2c). 공기 중에서 사이클링 시험을 104 회 반복 실시하는 동안 ON 및 OFF 상태는 계속적으로 안정하게 유지되었다. 특히, 다층박막 장치들은 측정온도가 25 ℃에서 150 ℃까지 증가하였음에도 열적으로 안정된 메모리 신뢰성을 보였다(도 2c). 또한, CAT 장치들은 100 나노초 내지 1 마이크로초의 스위칭 속도에서 반복적으로 작동할 수 있었으며(도 2b), 이러한 가역적 스위칭 특성은 1 년 이상 유지되는 결과를 나타내었다. 따라서, 우수한 전기적 안정성과 빠른 스위칭 속도가 입증되었다. 최근, 전기화학적 활성을 갖는 Ag 전극과 비활성 전극 사이에 개재된 고체 전해질 또는 전이금속 산화물이 Ag 이온의 높은 이동도에 의한 전기화학적 산화환원 반응으로 인해 저항 스위칭 특성을 나타냄을 알 수 있. 본 발명에서는 Ag 전극을 상부전극으로 사용하였으나, 전기화학적으로 비활성인 Au, Pt 또는 텅스텐(W)을 상부전극으로 사용한 경우에도 비슷한 스위칭 특성이 관찰된다. 특히, Pt(하부) 전극과 Au(상부) 전극 사이에 개재된 (PAH/CAT)30 다층박막은 +0.1 V 단위로 측정했을 때 102 이상의 ON/OFF 비를 보였다. 이러한 사실은 전기적으로 활성인 Ag 전극이 그 자체로서 PAH/CAT 다층박막 장치의 저항 스위칭 특성에 별다른 영향을 미치지 않는다는 점을 의미한다. 또한, 박막 내에 잔류하는 물분자는 완전히 제거되었으므로, 그로 인해 전기적 스위칭 특성이 개선되었을 가능성은 없다. 실제로, 어닐링을 실시하지 않아 물분자가 잔류하는 PAH/CAT 다층박막의 경우, 매우 낮은 ON/OFF 전류비(< 1)와 나쁜 스위칭 특성을 보였다(도 2d). 한편, 양이온성 PAH 및 음이온성 폴리(아크릴산)으로 구성된 기존의 고분자전해질 다층박막은 같은 온도에서 어닐링하였을 때 절연 특성을 보였으며, 스위칭 메모리 특성을 전혀 나타내지 않았다.First, the electrical characteristics of the nonvolatile memory cell were measured while applying a voltage in air. Pt and Ag were used as the lower and upper electrodes, respectively. The voltage was swept from -1.8 V to +1.8 V and back to -1.8 V for bipolar switching measurements. The current was limited to a maximum of 100 mA. After the initial electroforming step (conducting passages in the multilayer film), after a high current state (scan range ± 1.8 V or more), a multilayer thin film of (PAH / CAT) n (where n = 5,10,15) When the polarity of the voltage applied to the device changed, it suddenly switched to the low current state at + 1.8V. In addition, as the number of bilayers increased (i.e., the thickness of the multilayer thin film increased), the current, especially the OFF current, was considerably lowered because the thickness of the thin film increased (Fig. 2A). As a result, the ON / OFF current ratio of these devices increased up to 10 2 or more. Cycling and residence time of 15 bilayer PAH / CAT thin film devices were measured in units of +0.1 V to evaluate electrical stability in the ON and OFF states (FIGS. 2B and 2C). The ON and OFF states continued to remain stable during the 10 4 cycles of cycling test in air. In particular, the multilayer thin film devices showed thermally stable memory reliability even when the measurement temperature was increased from 25 ° C. to 150 ° C. (FIG. 2C). In addition, CAT devices were able to operate repeatedly at switching speeds of 100 nanoseconds to 1 microsecond (FIG. 2B), and this reversible switching characteristic was maintained for more than one year. Thus, excellent electrical stability and fast switching speed have been demonstrated. Recently, it can be seen that the solid electrolyte or the transition metal oxide interposed between the Ag electrode and the inactive electrode having electrochemical activity exhibits resistance switching characteristics due to the electrochemical redox reaction caused by the high mobility of Ag ions. In the present invention, the Ag electrode is used as the upper electrode, but similar switching characteristics are observed even when Au, Pt or tungsten (W) which is electrochemically inactive is used as the upper electrode. In particular, the (PAH / CAT) 30 multilayer thin film interposed between the Pt (bottom) electrode and the Au (upper) electrode showed an ON / OFF ratio of 10 2 or more when measured in +0.1 V units. This fact means that the electrically active Ag electrode by itself does not significantly affect the resistance switching characteristics of the PAH / CAT multilayer thin film device. In addition, since water molecules remaining in the thin film are completely removed, there is no possibility that the electrical switching characteristics are thereby improved. In fact, in the PAH / CAT multilayer thin film in which water molecules remain without annealing, very low ON / OFF current ratio (<1) and poor switching characteristics were shown (FIG. 2D). On the other hand, the conventional polyelectrolyte multilayer thin film composed of cationic PAH and anionic poly (acrylic acid) exhibited insulation characteristics when annealed at the same temperature, and showed no switching memory characteristics.

CAT 다층박막의 전도 특성을 이해하기 위하여, 15 개의 이중층으로 구성된 박막((PAH/CAT)15), 음전압 스윕 영역에서의 I-V 특성을 로그-로그 스케일로 도시하였다(도 2e). ON 상태에서 I-V 그래프는 기울기 ~1.0의 저항성 전도 특성을 뚜렷하게 보이는데, 이는 SET 과정(저전류(OFF) 상태에서 고전류(ON) 상태로의 스위칭)에서 장치 내에 전도성 통로가 형성되었음을 의미한다. 반면, OFF 상태에서의 전도 특성은 훨씬 더 복잡하다. 고저항 상태에서의 피팅 결과는 공간전하 제한전도(SCLC)와 일치하는 전하수송 특성을 나타낸다. 이때 공간은 3 개의 상이한 전도영역으로 구성되는데, 낮은 음전압의 저항영역(1∝V), 저항영역에서 SCLC 수송영역으로의 전이가 일어나는 영역(I1∝V2), 그리고 전류가 급격하게 증가하는 영역이다. 결과적으로, ON 및 OFF 상태에서의 상이한 전도 특성은 CAT 메모리 소자의 ON/OFF 스위칭이 SCLC 전도와 국소적인 전도성 통로에 의해 결정된다는 것을 의미한다. 또한, 도 2c의 전류곡선을 logROFFvs.온도(K) 및 logRONvs.온도(K) 곡선으로 다시 그리면, ON 상태(RON) 및 OFF 상태(ROFF)의 저항의 온도 의존성으로부터 전도 메커니즘을 보다 쉽게 이해할 수 있다. 즉, RON은 주변온도가 증가함에 따라 선형적으로 감소하는데, 이는 전도성 통로가 금속 상태(즉, 저항 상태)임을 나타낸다. 반면, 장치의 ROFF의 온도 의존성은 반도체 특성을 나타내었다.To understand the conduction characteristics of CAT multilayer thin films, 15 bilayers Thin film ((PAH / CAT) 15 ), IV characteristics in negative voltage sweep region are shown on log-log scale (FIG. 2E). In the ON state, the IV graph clearly shows the resistive conduction characteristic with a slope of ~ 1.0, indicating that a conductive passage was formed in the device during the SET process (switching from low current (OFF) to high current (ON)). On the other hand, the conduction characteristics in the OFF state are much more complicated. The fitting result in the high resistance state shows charge transport characteristics consistent with the space charge limiting conductivity (SCLC). At this time, the space is composed of three different conduction areas: low negative voltage resistance area (1VV), resistance area to transition to SCLC transport area (I1VV2), and current rapidly increasing to be. As a result, different conduction characteristics in the ON and OFF states mean that the ON / OFF switching of the CAT memory device is determined by the SCLC conduction and the local conduction path. Also, if the current curve of Fig. 2C is redrawn as logR OFF vs. temperature (K) and logR ON vs. temperature (K) curves, conduction is conducted from the temperature dependence of the resistance of the ON state (R ON ) and the OFF state (R OFF ). The mechanism is easier to understand. That is, R ON decreases linearly with increasing ambient temperature, indicating that the conductive passage is in a metallic state (ie, a resistive state). On the other hand, the temperature dependence of R OFF of the device showed semiconductor characteristics.

전류감지 원자간력 현미경(CS-AFM) 관찰을 통해서도 전도성 통로의 형성이 확인되었다(도 7). Ag 전극 대신 Pt 팁을 상부전극으로 사용하였다. V SET이 5 V일 때 국소적인 전도성 통로가 랜덤하게 형성되었으며 V RESET이 -5 V일 때 사라졌다. 이처럼, "RESET" 과정(고전류(ON) 상태에서 저전류(OFF) 상태로의 스위칭) 및 "SET"과정(저전류(OFF) 상태에서 고전류(ON) 상태로의 스위칭)에서 랜덤하게 분포된 전도성 통로의 형성 및 파괴가 관찰되었다. 이는 상부 및 하부전극 사이의 전류밀도가 균일한 것이 아니라 국소적인 전도성 통로에 집중되어 있고, 스위칭 과정에서 ON 및 OFF 된다는 것을 암시한다. 또한, 도 2a에서 VRESET과 VSET은 ±1.8 V로 CS-AFM에서 관찰된 것보다 높았다. 전도성 AFM 표면의 오염이 에너지 장벽으로 작용하여 셋 및 리셋에 대한 문턱전압 값을 증가시켰음을 알 수 있다. 또한, 전도성 AFM 팁으로부터 다중층에 가해진 전기장이 불균일하였을 가능성도 배제할 수 없다. 이처럼 불균일한 전기장은 저항 스위칭을 위해 가해진 전압을 증가시킬 수 있다.The formation of the conductive passage was also confirmed through the observation of current sensing atomic force microscope (CS-AFM) (FIG. 7). Pt tips were used as upper electrodes instead of Ag electrodes. When V SET is 5 V, a local conductive channel is randomly formed and disappears when V RESET is -5 V. Thus, randomly distributed in the "RESET" process (switching from the high current (ON) state to the low current (OFF) state) and the "SET" process (switching from the low current (OFF) state to the high current (ON) state) Formation and destruction of conductive passages were observed. This suggests that the current density between the top and bottom electrodes is not uniform but is concentrated in the local conductive path and turned on and off during the switching process. In addition, V RESET and V SET in FIG. 2A were higher than those observed in CS-AFM at ± 1.8 V. It can be seen that contamination of the conductive AFM surface acts as an energy barrier, increasing the threshold voltage values for set and reset. In addition, it may not be excluded that the electric field applied to the multilayer from the conductive AFM tip was uneven. This non-uniform electric field can increase the voltage applied for resistance switching.

저항 스위칭 메모리 소자에 대하여 다양한 스위칭 메커니즘(예컨대, 멤리지스터 모델, 퓨즈-안티퓨즈 유형의 필라멘트 전도 모델 또는 에너지가 다른 능동소자 간의 전하수송)이 보고되었으나, 본 발명에 따른 스위칭 소자의 고전류 및 저전류 상태에서의 메모리 효과는 전하포획 부위 내에서의 전하의 축적(고저항) 및 방출(저저항)에 기인하는 것이다. 본 발명에 따른 다층박막을 포함하는 장치에서, 다중층 내의 산화환원 활성부위는 전하포획 소자로 작용하여, 스위칭 메커니즘에 상당한 영향을 줄 수 있다. 우선, 최초의 전기주조 후에, 장치가 -1.8 V에서 0 V까지 음전압 스윕되는 과정에서(도 2a의 영역 (1)), 산화환원 부위에서 전자가 방출되어 고전도 상태가 유도된다. 이러한 ON 상태는 전자가 산화환원 부위 내로 부분적으로 유입되어((2)) 산화환원 부위에 포획되고 전압의 극성이 바뀔((2)→(3)) 때까지 유지된다. 그러나, 전압의 극성이 바뀌면, CAT 다중층 내의 전도성 통로가 파괴되어 전도성이 감소하는데, 이것이 RESET 과정(고전류(ON) 상태에서 저전류(OFF) 상태로의 스위칭)에 해당된다. 이러한 OFF 상태는 약 -1.5 V(영역 (4))까지 유지된다. 그러나, 산화환원 부위 내에 포획된 전자를 방출시키기 위한 외부 전기장이 증가하면(영역 (4)) SET 전압(VSET

Figure pat00001
1.5 V)에서 전도성이 급격히 증가하여, 터널링 확률이 높아지는(SET 과정) 것으로 생각된다.Various switching mechanisms have been reported for resistive switching memory devices (e.g., membrane models, fuse-fuse-type filament conduction models, or charge transfer between active devices with different energies), but the high current and low current of switching devices according to the present invention have been reported. The memory effect in the current state is due to the accumulation of charge (high resistance) and release (low resistance) in the charge trapping region. In the device including the multilayer thin film according to the present invention, the redox active portion in the multilayer acts as a charge trapping element, which can significantly affect the switching mechanism. First, after the first electroforming, in the course of the device being negatively swept from −1.8 V to 0 V (area 1 in FIG. 2A), electrons are released at the redox site, leading to a high conductivity state. This ON state is maintained until electrons are partially introduced into the redox site ((2)), trapped in the redox site and the polarity of the voltage is changed ((2) → (3)). However, if the polarity of the voltage is changed, the conductive passage in the CAT multilayer is broken, leading to a decrease in conductivity, which corresponds to a RESET process (switching from a high current (ON) state to a low current (OFF) state). This OFF state is maintained up to about -1.5 V (area 4). However, if the external electric field for releasing electrons trapped within the redox site increases (area (4)), the SET voltage (VSET)
Figure pat00001
It is thought that the conductivity sharply increases at 1.5 V), thereby increasing the tunneling probability (SET process).

CAT 내의 헴 FeⅢ/FeⅡ산화환원 쌍에 의한 스위칭 메커니즘을 보다 잘 이해하기 위하여, CAT 대신, Fe 이온을 포함하는 간단한 분자구조의 프탈로시아닌계 물질(프탈로시아닌-Fe)을 사용하여 비휘발성 메모리 소자를 제작하였다. 전기적 스위칭 측정 결과는 PAH/CAT 다중층의 경우와 동일하였으며, PAH/프탈로시아닌-전이금속 이온(예, Fe 또는 Ni 이온) 다중층은 뚜렷한 저항 스위칭 특성을 보였다. 이러한 결과는 CAT 내의 주된 저항 스위칭 활성부위가 헴 FeⅢ/FeⅡ산화환원 쌍이라는 것을 나타낸다. 헴 기를 가지는 헤모글로빈과 미오글로빈에서도 저항 스위칭 비휘발성 메모리 특성이 확인되었다(도 8). 이러한 LbL 다층 박막은 현재 반도체 장치에 적용되는 스핀코팅 방법을 이용하여, LbL 조립과정을 통해 쉽게, 그리고 신속하게 제조가능하였다.In order to better understand the switching mechanism by the heme FeIII / FeII redox pair in CAT, a non-volatile memory device was fabricated using a simple molecular phthalocyanine-based material (phthalocyanine-Fe) containing Fe ions instead of CAT. . Electrical switching measurements were the same as for PAH / CAT multilayers, and PAH / phthalocyanine-transition metal ions (eg Fe or Ni ions) multilayers showed distinct resistance switching characteristics. These results indicate that the main resistive switching active site in CAT is a heme FeIII / FeII redox pair. Resistance switching nonvolatile memory characteristics were also observed in hemoglobin and myoglobin having heme groups (FIG. 8). The LbL multilayer thin film was easily and quickly manufactured through the LbL assembly process by using a spin coating method currently applied to semiconductor devices.

전하의 포획 및 방출을 통한 스위칭 메커니즘을 더 확인하고자, 본 발명에서는 절연층으로서 (PAH/CAT)40 다중층과 SiO2를 이중층으로 포함하는 펜타센계 유기전계효과 트랜지스터 메모리(OFETM) 장치를 제작하였다. OFETM(organic field-effect transistor memory)의 메모리 기능은 고분자에서 무기나노입자에 이르는 충전성 절연물질에 저장되는 전하의 전계효과 조절에 기인한다는 것이 잘 알려져 있다. 먼저, 도 3a의 ID-VD출력곡선에서 나타낸 바와 같이, OFETM 소자는 비교적 우수한 트랜지스터 특성을 보였다. 측정된 OFETM 변수, 즉 이동도, 문턱전압, ON/OFF 비는 각각 0.065 cm2·V-1·S-1, 1.4 V,그리고 2.4×104이었다. 도 3b에 나타낸 바와 같이, VD=-40 V이하에서 뚜렷한 메모리 히스테리시스 구간이 반복적으로 측정되었다. 이때, PAH/CAT 다중층은 절연체의 메모리 효과의 원인으로 작용하였다. 보다 구체적으로, CAT의 산화환원 활성부위는 순방향 바이어스 하에서 전자를 포획하고, 역방향 바이어스 하에서 방출한다(도 3b). 순방향 과정에서 게이트 전극에 음전압이 가해지면('영역 (1)'), 펜타센 내의 수송채널이 확장되고, 이어서 드레인 전류가 증가한다. 채널이 포화되면 바이어스에 의해 절연체의 상부층에 전자 축적이 촉진되고, 축적된 전자는 CAT 내의 산화환원 부위의 환원에 부분적으로 영향을 미친다. 역방향 과정('영역 (2)')에서는, CAT의 산화환원 능동소자의 환원 형태가 산화 형태에 비해 극성이 낮으므로, 역방향 게이트 바이어스에서 드레인 전류가 급격히 감소한다.In order to further confirm the switching mechanism through the capture and release of the charge, the present invention has fabricated a pentacene-based organic field effect transistor memory (OFETM) device including (PAH / CAT) 40 multilayer and SiO 2 as a double layer as an insulating layer. . It is well known that the memory function of OFETM (organic field-effect transistor memory) is due to the control of the field effect of the charge stored in the filling insulating material from the polymer to the inorganic nanoparticles. First, as shown in the ID-VD output curve of FIG. 3A, the OFETM device showed relatively excellent transistor characteristics. The measured OFETM variables, ie mobility, threshold voltage and ON / OFF ratio, were 0.065 cm 2 · V −1 · S −1 , 1.4 V, and 2.4 × 10 4 , respectively. As shown in FIG. 3B, distinct memory hysteresis intervals were repeatedly measured below V D = -40 V. At this time, the PAH / CAT multilayer acted as a cause of the memory effect of the insulator. More specifically, the redox active site of CAT captures electrons under forward bias and releases under reverse bias (FIG. 3B). When a negative voltage is applied to the gate electrode in the forward process ('region 1'), the transport channel in pentacene expands, and then the drain current increases. Saturation of the channel promotes electron accumulation in the upper layer of the insulator by the bias, and the accumulated electrons partially affect the reduction of redox sites in CAT. In the reverse process (region 2), since the reduced form of the redox active element of CAT is lower in polarity than the oxidized form, the drain current is drastically reduced in the reverse gate bias.

게이트 전극에 양전압이 가해지면, 게이트의 순방향 바이어스로 인해 절연체의 상부층(PAH/CAT 다중층)에 정공의 축적이 촉진되고 CAT 내의 산화환원 능동소자가 고유의 산화 상태로 변화된다. 순방향 게이트 바이어스가 가해진 후에는 절연특성과 극성이 회복되므로, 순방향 과정에서 드레인 전류의 게이트 바이어스에 대한 의존성이 다시 증가하여 역방향 과정에서보다 커지게 된다. 또한, 대기조건 하에서 105초의 테스트 기간 동안 ON 및 OFF 상태는 지속적으로 안정하게 유지될 수 있었다(도 3c). OFETM 소자의 메모리 기능이 주로 CAT 내의 산화환원 활성부위의 산화환원 반응에 의한 것임을 감안할 때, CAT RSNM 장치의 전기적 스위칭 특성은 CAT 내의 산화환원 부위의 전하포획 메커니즘에 기인함을 알 수 있다.When a positive voltage is applied to the gate electrode, the forward bias of the gate promotes the accumulation of holes in the upper layer (PAH / CAT multilayer) of the insulator and changes the redox active element in the CAT to its own oxidation state. After the forward gate bias is applied, the insulation characteristics and polarity are restored, so the dependence of the drain current on the gate bias in the forward process increases again, which is greater than in the reverse process. In addition, during the test period of 10 5 seconds under atmospheric conditions, the ON and OFF states could be kept continuously stable (Fig. 3c). Considering that the memory function of the OFETM device is mainly due to the redox reaction of the redox active portion in the CAT, it can be seen that the electrical switching characteristics of the CAT RSNM device are due to the charge trapping mechanism of the redox portion in the CAT.

Claims (10)

하부전극;
상기 하부전극 위에 형성된 활성층; 및
상기 활성층 위에 형성된 상부 전극을 포함하며,
상기 활성층은 양전하를 띠는 물질층과 음전하를 띠는 물질층이 교대로 적층된 다층박막이며, 상기 물질층은 적어도 1 종 이상의 단백질을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.
Lower electrode;
An active layer formed on the lower electrode; And
An upper electrode formed on the active layer,
The active layer is a multilayer thin film in which a positively charged material layer and a negatively charged material layer are alternately stacked, and the material layer comprises at least one protein.
제1항에 있어서, 상기 활성층은 2-100 개의 양전하를 띠는 물질층 및 2-100 개의 음전하를 띠는 물질층이 교대로 적층되어 다층박막을 구성하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.The switching device according to claim 1, wherein the active layer is formed by alternately stacking 2-100 positively charged material layers and 2-100 negatively charged material layers alternately. 제1항에 있어서, 상기 활성층은 레이어-바이-레이어(layer-by-layer) 자기조립법에 의해 적층되는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.The switching device of claim 1, wherein the active layer is laminated by a layer-by-layer self-assembly method. 제1항에 있어서, 상기 양전하를 띠는 물질층과 음전하를 띠는 물질층은 각각 독립적으로 (i) pH 조건에 따라 표면 전하가 달라지는 단백질 및 (ii) 정전하를 갖는 고분자로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.The method of claim 1, wherein the positively charged material layer and the negatively charged material layer are each independently selected from (i) a protein whose surface charge varies depending on pH conditions and (ii) a polymer having a static charge Switching element. 제4항에 있어서, 상기 단백질은 카탈라아제, 헤모글로빈 및 미오글로빈으로부터 1종 이상 선택되고, 상기 고분자는 폴리(알릴아민하이드로클로라이드), 폴리(스티렌설포네이트) 및 폴리(에틸렌이민)으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.The method of claim 4, wherein the protein is at least one selected from catalase, hemoglobin and myoglobin, and the polymer is at least one selected from poly (allylaminehydrochloride), poly (styrenesulfonate) and poly (ethyleneimine). Switching element, characterized in that. 하부전극;
상기 하부전극 위에 형성된 활성층; 및
상기 활성층 위에 형성된 상부 전극을 포함하며,
상기 활성층은 2-100 개의 카탈라아제와 2-100 개의 폴리(알릴아민염소산)이 교대로 적층된 다층박막인 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.
Lower electrode;
An active layer formed on the lower electrode; And
An upper electrode formed on the active layer,
The active layer is a switching device, characterized in that the multi-layer thin film of 2-100 catalase and 2-100 poly (allylamine hydrochloric acid) alternately stacked.
기판상에 다층박막을 적층시켜 스위칭 소자를 제조하는 방법에 있어서,
(1) 제1 전하로 대전된 기판상에 상기 제1 전하와 반대되는 제2 전하의 대전물질을 적층시키는 단계;
(2) 상기 제2 전하의 대전물질 상에 제1 전하의 대전물질을 적층시키는 단계; 및
(3) 상기 제2 전하의 대전물질 및 제1 전하의 대전물질을 교대로 적층시키는 단계를 2회 내지 100회 반복하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 및 제2 전하의 대전물질 중 적어도 하나는 1종 이상의 단백질을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 제조방법.
In the method of manufacturing a switching device by laminating a multilayer thin film on a substrate,
(1) depositing a charging material of a second charge opposite to the first charge on a substrate charged with a first charge;
(2) stacking a charge material of a first charge on the charge material of the second charge; And
(3) repeating two to 100 steps of alternately stacking the charged material of the second charge and the charged material of the first charge; and at least one of the charged materials of the first and second charges. The manufacturing method of the switching device comprising at least one protein.
제7항에 있어서, 상기 제1 전하의 대전물질 및 제2 전하의 대전물질은 각각 독립적으로 (i) pH 조건에 따라 표면 전하가 달라지는 단백질 및 (ii) 정전하를 갖는 고분자로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 제조방법.The method of claim 7, wherein the charge material of the first charge and the charge material of the second charge are each independently selected from (i) a protein whose surface charge varies depending on pH conditions and (ii) a polymer having a static charge The manufacturing method of the switching element made into. 제7항에 있어서, 상기 제1 전하의 대전물질 및 상기 제2 전하의 대전물질이 교대로 적층되어 이루어지는 상기 다층박막은 레이어-바이-레이어(layer-by-layer) 자기조립법에 의해 적층되는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자의 제조방법.8. The method of claim 7, wherein the multilayer thin film in which the charged material of the first charge and the charged material of the second charge are alternately stacked is laminated by a layer-by-layer self-assembly method. A method for manufacturing a switching element, characterized in that. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터.A transistor comprising the switching element according to any one of claims 1 to 6.
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