[发明专利]一种铁电拓扑畴结构及其制备方法

说明书

本发明涉及一种铁电拓扑畴结构的制备方法，其包括以下步骤：S1：采用脉冲激光沉积法在(001)方向的STO单晶衬底上沉积一层SRO导电层作为底电极；S2：在步骤S1制得的SRO底电极表面铺展单层PS小球作为掩模板，再用氧等离子体刻蚀处理，然后置于离子束刻蚀机中进行刻蚀，最后去除残留的单层PS小球掩模板，得到SRO纳米点阵列底电极；S3：选择BFO靶材，采用脉冲激光沉积法在步骤S2制得的SRO纳米点阵列底电极上沉积一层菱方相的BFO薄膜形成纳米点阵列，其为面外具有“十字形”缓冲畴的中心型拓扑畴结构，并且面内具有一个相反衬度的条带畴。本发明制得的铁电拓扑畴结构具有高密度、有序排列、调控方便等优势。

技术领域

本发明涉及铁电材料技术领域，特别是涉及一种铁电拓扑畴结构及其制备方法。

背景技术

随着互联网、大数据时代的到来，传统的存储器件难以满足日益增长的存储需要，不断探索新型的存储器件。近年来，存储器经历了由挥发性存储器到非挥发性存储器再到新型非挥发性存储器的演变，其存储性能大大提高。其中，基于铁电材料的存储器件因为具有非易失性、快速读取和写入、低功耗和高擦写次数等优异的特征，得到人们得广泛关注，有望成为新一代存储器件的候选。

目前市场对存储器件的的存储密度、集成度、小型化的要求不断提高，实现纳米尺度的有序高密度铁电拓扑畴的制备以及调控以达到目前市场对存储器件的要求显得至关重要；因此，对铁电材料中的拓扑畴结构的研究成为了研究热点，铁电拓扑畴结构具有高稳定性，小尺寸等特点，能够避免被调控场以外的其他外场所破坏同时能大大减小存储器件的体积。人们也尝试了许多种制备铁电拓扑畴结构的方法，例如有对薄膜或块体施加一个点电场来诱导其产生单个的涡旋畴结构，但该方法所得到的拓扑畴密度极低、单点反复调控难度极高并且难以集成；又如有通过制备铁电超晶格来获得拓扑畴的方法，但该方法十分复杂并且得到的拓扑畴难以调控。因此，铁电拓扑畴结构的制备与调控还存在巨大挑战，寻找一种制备工艺简单、调控方便的拓扑畴显得尤为关键。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种铁电拓扑畴结构的制备方法，该制备方法制得的铁电拓扑畴结构具有高密度、有序排列、调控方便等优势。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种铁电拓扑畴结构的制备方法，包括以下步骤：

S1：采用脉冲激光沉积法在(001)方向的STO单晶衬底上沉积一层SRO导电层作为底电极；

S2：在步骤S1制得的SRO底电极表面铺展单层PS小球作为掩模板，再用氧等离子体刻蚀处理，然后置于离子束刻蚀机中进行刻蚀，最后去除残留的单层PS小球掩模板，得到SRO纳米点阵列底电极；

S3：选择BFO靶材，采用脉冲激光沉积法在步骤S2制得的SRO纳米点阵列底电极上沉积一层菱方相的BFO薄膜形成纳米点阵列，其为中心型拓扑畴结构。

相比于现有技术，本发明通过脉冲激光法制备底电极SRO薄膜，再通过聚苯乙烯小球辅助离子刻蚀的方法制备SRO纳米点阵列底电极，然后再通过脉冲激光沉积法制备菱方相的BFO纳米点阵列，利用应变梯度诱导出拓扑畴结构。本发明制得的铁电拓扑畴(中心型拓扑畴)结构阵列达到纳米级别，是一种高密度有序纳米点阵列结构，且铁电拓扑畴结构之间相互独立，可由外加电场调控，同时具有良好的热稳定性。本发明制得的铁电拓扑畴呈现有序纳米点阵分布，有望应用于设计垂直架构的新型铁电存储器，可使新型铁电存储器具有高稳定性、高读取速度、高密度等优点。

进一步，步骤S1中，所述SRO导电层厚度为30～60nm。SRO导电层厚度和刻蚀深度控制在此范围内较易于操作保证良好的导电效果。

进一步，步骤S2中，所述SRO纳米点阵列底电极的刻蚀深度为20～50nm，且刻蚀深度小于所述SRO导电层的厚度。刻蚀深度控制在该范围内较易于操作，且需保证SRO不被刻穿以保持良好的导电性，便于后续进行电学表征。