[发明专利]一种利用针尖电场在铁电薄膜中构建周期性条带畴的方法

说明书

本发明公开了一种利用针尖电场在铁电薄膜中构建周期性条带畴的方法，属于微纳结构技术领域，通过脉冲激光沉积技术生长铁酸铋薄膜，低氧压的生长条件保证了薄膜中含有缺陷，利用的电场，是在压电力显微镜的针尖上施加偏压产生的针尖电场；薄膜中的面外、面内极化在针尖电场作用下同时翻转、重新定向，形成纳米尺度的高密度周期性条带畴；构建的条带畴具有良好的稳定性，可用于高密度铁电随机存取存储器。本发明使用的制备方法，脉冲激光沉积技术成熟，基于扫描探针显微镜的矢量压电力显微技术操作简单，具备很好的实用性。

技术领域

本发明属于微纳结构技术领域，具体涉及一种利用针尖电场在铁电薄膜中构建周期性条带畴的方法。

背景技术

近年来，随着人们对器件微型化的要求愈加强烈，市场对具有多功能的材料表现出热切期盼。单相多铁性材料就是这种多功能材料的代表。所谓多铁性材料，就是一种材料同时具有铁电性和磁性，更重要的是，通过施加电场能够可靠调控材料的磁性或施加磁场可靠调控材料的铁电性，因此也称为磁电偶合材料。铁电存储器具有低功耗、快速写入、大得多的擦写次数(3.3V超过10¹⁶次)等优点，缺点是存储密度低；铁磁存储器具有快读取、价格低的优点，缺点是写入慢。单相多铁性材料就是把这二者的优点结合并集于一身的材料，可用于新型高密度的存储器，满足市场需求。

目前，研究最多的单相多铁材料是铁酸铋(化学式为BiFeO₃,简写为BFO)，因其室温下表现出铁电性、铁弹性和反铁磁性。BFO的磁电耦合系数较弱，尽管研究人员已经在其单晶和薄膜样品中实现了电场对反铁磁的控制，但是关于磁电耦合的问题依然存在，尤其是在纳米尺度，影响材料在微型化设备中的使用。BFO材料的定量研究，遇到的挑战源于其复杂的铁电结构，在其赝立方单胞中沿体对角线有8个等量的极化方向，产生的畴由三种畴壁分开，71°铁弹和铁电畴；109°铁弹和铁电畴；180°纯铁电畴。理解和控制这些极化态之间的翻转以及极化翻转对薄膜磁序的影响，是迈向器件应用的关键一步。

针对铁电存储器的存储密度不高的缺点，科研人员选取了不同的解决路径。比如，通过制备具有周期性条带畴的薄膜，这些畴的形成紧密依赖于薄膜的生长参数、使用的衬底和底电极的结构，参数多、条件苛刻，制备有一定难度；通过光刻，对光刻胶及其模板有要求；通过聚焦离子束刻蚀，经常会在样品中注入离子或引入缺陷，通常也需要模板辅助。利用压电力显微镜的针尖电场，可以写入周期性的纳米畴。对于制备获得的质量不高、缺陷多的样品，借助于针尖电场使带电缺陷定向移动，将碎片化的纳米畴连成周期性的条带畴结构，可以获得具有周期性条带畴的高质量的样品。

极化翻转的精确控制是基于极化过程中的针尖的扫描方向。在压电力显微镜的导电针尖上施加偏压会产生电场，因为针尖的几何形状呈圆锥状，所以电场的空间分布是放射状对称的。与静止状态下的针尖电场不同，运动的针尖会打破电场的对称性，沿针尖的扫描方向在面内形成尾部电场。这种尾部电场为调控畴结构提供了有效途径。

科技文献《Deterministic control of ferroelastic switching inmultiferroic materials》(Nature Nanotechnology，2009，4(12)：868-875)发现，通过针尖放射状对称的电场在其运动中出现对称性破缺，可以确定性地控制菱形相铁电体中非180°的极化翻转，构建通量闭合、“之”字形、星形等特殊形状的畴，从而可以局部控制应变和磁性序；这种确定性的控制可以扩展到其它低对称性系统，从而用于磁电、应变耦合等相关设备；还可以探索非易失性存储器和隧道势垒中的多个开关状态，为开发基于极化操控的电子器件的更多功能提供思路。

综上所述，有必要提出一种新的方法，并开发出新的技术路径，实现绿色环保、高质量、低成本的高密度铁电存储器件制备。

发明内容

发明目的：针对铁电随机存取存储器面临存储密度的问题，本发明的目的在于提供一种利用针尖电场在铁电薄膜中构建周期性条带畴的方法。