[發明專利]一種鐵電薄膜的周期性條帶疇結構的表征方法

有效

• 申請號: 201910977182.0
• 申請日: 2019-10-15
• 公開（公告）號: CN110634871B
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發明（設計）人: 翟俊杰;李忠文;南峰;李冠男;周舟;黃煜焱
• 申請（專利權）人: 淮陰工學院
• 主分類號: H01L27/11507
• 分類號: H01L27/11507
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 張華蒙

本發明公開了一種鐵電薄膜的周期性條帶疇結構及其表征方法，屬于微納表征技術領域，該方法包括以下步驟：脈沖激光沉積制備鐵酸鉍薄膜；通過X射線衍射儀表征其晶格常數，確定其為菱形相結構，利用壓電蝴蝶曲線確認其鐵電性良好和矯頑電壓，通過原子力顯微鏡表征其形貌；運用矢量壓電力顯微鏡表征納米鐵電薄膜中的周期性條帶疇，采用精細的矢量壓電力顯微術分析方法確定其三維疇結構；使用導電原子力顯微鏡觀測到條帶疇的疇壁導電。通過本發明給出的鐵電薄膜制備方法，可用于非揮發的、高密度的鐵電隨機存取存儲器；同時，提供的表征方法能夠準確給出周期性條帶疇的三維疇結構及疇壁導電；為高密度的鐵電存儲器件開發及表征檢測提供方案。

技術領域

本發明涉及微納表征技術領域，具體涉及一種鐵電薄膜的周期性條帶疇結構的表征方法。

背景技術

鐵電隨機存取存儲器具有低能耗、快寫入、大得多的擦寫次數等優點，有望成為下一代非揮發存儲器。鐵電存儲要求鐵電材料室溫下具有很大的極化值、很強的壓電響應，有利于開發、檢測基于鐵電材料的器件。其中，鐵酸鉍(BiFeO₃，簡寫為BFO)這種材料的居里溫度和奈爾溫度分別為370℃和830℃，同時具有反鐵磁性和鐵電性，(111)和(001)方向的剩余極化值為100μC/cm²和60μC/cm²，是很好的鐵電和壓電材料；目前，BFO薄膜大多呈現馬賽克狀的多疇結構，具有大面積、長度較長的條帶疇結構的外延薄膜制備依然困難，無法滿足市場對高密度鐵電存儲器件應用的需求。

鐵電存儲器利用的是極化翻反轉，翻轉機制由其鐵電薄膜中的極化分布決定，同時極化分布也反映了其疇結構。為更好地理解和應用鐵電薄膜的性質使得揭示其疇結構成為重要的研究課題。在鐵電材料中，壓電效應是鐵電極化存在的一個直接證據；因而，基于掃描探針顯微鏡(scanningprobemicroscopy，SPM)的壓電力顯微鏡(piezoresponse forcemicroscopy，PFM)是在納米尺度研究極化分布不可或缺的工具，由此發展出的矢量PFM表征及分析方法可以重組鐵電疇的三維極化分布；對于周期性條帶疇，目前大部分相關文獻都是給出條帶疇的頭尾相連的示意圖，沒有進行更加細致的分析。

BFO也是第一個在其薄膜中發現疇壁導電的材料，在傳統絕緣材料中發現的導電通道，為鐵電材料研究帶來了豐富的物理。在含有馬賽克狀多疇結構的BFO薄膜中，往往是先通過探針極化構造長度較長的疇壁然后測得疇壁導電，而在自發生長的條帶疇結構的薄膜中直接測得疇壁導電增強，這對鐵電薄膜制備、表征提出了新要求。基于SPM的導電原子力顯微鏡(conductiveatomicforce microscopy，CAFM)可以用于研究鐵電疇壁導電，給出電流的二維圖像增強了表征方法的可視化度。疇壁導電的發現可以為集成電路中的布線提供思路，還有望用于研發基于阻變的存儲器件。

發明內容

發明目的：本發明的目的在于提供一種鐵電薄膜的周期性條帶疇結構的表征方法，為基于鐵電材料的器件開發與檢測提供思路。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種鐵電薄膜的周期性條帶疇結構的表征方法，包括如下步驟：

S1：使用PLD方法制備BFO薄膜；

S2：物相表征研究BFO薄膜的晶相、形貌和鐵電性；

S3：運用矢量壓電力顯微鏡PFM對BFO薄膜表征，分析獲得鐵電條帶疇的疇結構；

S4：采用導電原子力顯微鏡CAFM對BFO薄膜表征，獲得鐵電條帶疇的疇壁導電。