[发明专利]一步模板法制备有序铁电纳米点阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米刻蚀技术领域，特别是涉及一种一步模板法制备有序铁电纳米点阵列的方法。

背景技术

有序的铁电纳米点阵列由于表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、量子隧穿及宏观量子隧道效应等，在许多方面表现出新异的特性。其在功能性纳米装置，特别是高密度信息存储器和高敏传感器上的应用吸引了很多人的研究兴趣。对于金属和半导体纳米材料来说，最常使用的生产技术就是光刻。然而，对于复杂的材料，例如一些三元或者是四元的钙钛矿氧化物来说，光刻技术的能量太低，无法刻蚀它们坚硬的表面，因此并不适用。对于钙钛矿氧化物材料，聚焦离子束刻蚀和自组织生长方法相比光刻技术更适用，然而这些制备方法存在会对晶体结构产生破坏、有序性差、自组织生长时间长、位错缺陷更多等缺点。

相对于以上两种方法，模板法合成纳米结构体系是一种简单而且普适的合成工艺，它是20世纪90年代以来发展起来的前沿技术。目前最常用的制备有序外延铁电纳米点工艺是用多孔阳极氧化铝模板(anodized alumina)辅助激光脉冲沉积法，自下而上的生长纳米点阵列1～3。这种方法由于苛刻的生长条件，其应用前景受到限制。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种一步模板法制备有序纳米点阵列的方法，其制备方法简单、模板清除方便，适合大面积制备。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一步模板法制备有序铁电纳米点阵列的方法，包括以下步骤：

S1：采用脉冲激光沉积法在衬底上沉积高性能外延铁电薄膜；

S2：转移单层PS(聚苯乙烯polystyrene spheres)小球至铁电薄膜表面作为掩模板；

S3：将附有掩模板的衬底用氧等离子体刻蚀处理，得到待刻蚀样品；

S4：将所述待刻蚀样品置于离子束刻蚀机中进行刻蚀；

S5：去除残留的单层PS小球掩模板，得到有序的铁电纳米点阵列。

相比于现有技术，本发明利用聚苯乙烯(PS)小球作为刻蚀模板，制备方便省时；利用离子刻蚀技术，直接进行刻蚀，将聚苯乙烯小球的排列图案直接转移到衬底材料上，无需引入牺牲层结构，一步制得纳米结构，操作简便，工序简单；利用离子刻蚀技术而非常用的等离子体刻蚀、反应离子刻蚀技术，无需引入化学反应气体，不会引入新的杂质污染薄膜微结构，操作环境无毒无害，制备成本低，操作人员安全性高；在高性能外延铁电薄膜的基础上刻蚀，制备的铁电纳米点保存了铁电薄膜优异的外延性和铁电性。

进一步，步骤S1中的衬底为单晶衬底，且其满足薄膜外延条件。

进一步，步骤S2包括以下步骤：

S21：在盛满去离子水的培养皿中滴入直径为500nm的PS小球与乙醇的混合溶液，加入分散剂，使PS小球在去离子水表面呈单层紧密排列；

S22：将步骤S1制备的薄膜用氧等离子体处理3分钟，以提高薄膜表面的亲水性；

S23：用镊子将处理后的薄膜样品置于单层PS小球下方，然后轻轻的水平提出；

S24：待水分自然蒸发后，薄膜表面形成一层单层紧密排列的PS小球。

通过上述步骤，可将单层PS小球模板顺利转移至薄膜表面，方便后续工艺的进行。

进一步，步骤S4中，在真空度为7.0～9.0×10^-4Pa，室温条件下，保持离子束刻蚀系统的阴极电流为14.7～15.0A，阳极电压为50V，屏极电压为250V，加速电压为250V，中和电流为13A，偏置电压为1.2V，进行刻蚀3～4分钟。通过Ar⁺离子束刻蚀，可将PS小球的排列图案直接转移到衬底材料上，无需引入牺牲层结构。

进一步，步骤S5中，将样品放置于氯仿溶液中超声清洗10～15分钟，取出后用氮气枪吹干，即可得到大面积有序的铁电纳米点阵列。通过超声清洗和氮气枪吹干，可有效去除残留的单层PS小球掩模板。

优选地，所述衬底为7％Nb掺杂的(001)方向SrTiO₃(Nb:STO)单晶衬底。该衬底是单晶的，且满足薄膜外延条件(即晶格匹配)。在其他实施例中，亦可采用不掺杂的STO衬底或其他晶格匹配的衬底。

优选地，所述外延铁电薄膜为40nm厚的BiFeO₃(BFO)薄膜。优选采用BFO薄膜，其铁电性好、磁电耦合强。