[發明專利]一種新型鐵電渦旋態納米島陣列的制備方法

有效

• 申請號: 202010280816.X
• 申請日: 2020-04-10
• 公開（公告）號: CN111547676B
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 高興森;楊文達;田國
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H10B53/30
• 分類號: H10B53/30;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州新諾專利商標事務所有限公司 44100
• 代理人: 辜丹蕓

一種新型鐵電渦旋態納米島陣列的制備方法，包括以下步驟：S1：采用脈沖激光沉積法在(001)方向的STO單晶襯底上沉積一層SRO導電層作為底電極；S2：采用脈沖激光沉積法在SRO導電層上沉積一層菱方相BFO薄膜；S3：在S2所述的BFO薄膜表面鋪展單層PS小球作為掩模板，再用氧等離子體刻蝕處理，然后置于離子束刻蝕機中進行刻蝕，最后去除殘留的單層PS小球掩模板，得到菱方相BFO納米島陣列；S4：通過電場調控獲得渦旋態拓撲疇結構的鐵電渦旋態納米島陣列。上述方法制得的菱方相BFO納米島陣列在外加電場的調控下實現渦旋態拓撲疇結構與普通疇結構的轉化，利用其導電性差異實現數據的存儲，具有高度的穩定性和良好的應用前景。

技術領域

本發明涉及鐵電材料技術領域，特別是涉及一種新型鐵電渦旋態納米島陣列的制備方法。

背景技術

在大數據時代的背景下，傳統半導體芯片尺寸已經接近量子極限，難以進一步發展，這推動了人們探尋新型半導體電子材料體系下的存儲器件以滿足人類日益增長的存儲需求。其中，鐵電材料體系下的鐵電存儲器是一種新型存儲器。在鐵電材料中，鐵電疇壁作為一種超薄的異質結存在著很多新穎的物性，如其具有較好的導電性、容易被人為擦除與產生等，故而以疇壁調控來實現數據存儲能夠極大提升存儲密度、縮短響應時間、降低系統能耗。

近年來，隨著人們對存儲器件的存儲能力的要求不斷提高，實現納米尺度下的有序高密度鐵電疇壁調控以提升儲存器密度顯得至關重要。拓撲疇結構因其高穩定性、小尺寸等特點，而能夠避免其被調控場以外的其他外場所破壞、減小存儲器的體積。目前，人們嘗試了多種制備鐵電拓撲疇的方法，如在薄膜或塊體上通過電場誘導獲得單個渦旋疇，但該方法存在獲得的鐵電拓撲疇存在密度低、結構受限、難以集成化等缺陷；又如在超晶格中形成渦旋疇陣列，但該方法難以調控、工藝復雜、電學性能尚不明確。因此，實現高密度、可調控拓撲疇壁的制備尚存在巨大挑戰。

發明內容

基于此，本發明的目的在于，提供一種新型鐵電渦旋態納米島陣列的制備方法，制得高密度有序排列的渦旋型鐵電疇納米島陣列。該納米陣列結構在存儲器件上具有明顯的優勢：具有高密度、高有序性、易于單獨調控等，更接近集成器件需求。

本發明所采用的技術方案是：一種新型鐵電渦旋態納米島陣列的制備方法，包括以下步驟：

S1：采用脈沖激光沉積法在(001)方向的STO(SrTiO₃)單晶襯底上沉積一層SRO(SrRuO₃)導電層作為底電極；

S2：采用脈沖激光沉積法在SRO導電層上沉積一層菱方相BFO(BiFeO₃)薄膜；

S3：在S2所述的BFO薄膜表面鋪展單層PS小球作為掩模板，再用氧等離子體刻蝕處理，然后置于離子束刻蝕機中進行刻蝕，最后去除殘留的單層PS小球掩模板，得到有序的菱方相BFO納米島陣列鐵電材料；

S4：電場調控：通過壓電響應力顯微鏡(PFM)誘導所述菱方相BFO納米島陣列的鐵電材料，獲得渦旋態拓撲疇結構的鐵電渦旋態納米島陣列。

相比于現有技術，本發明通過脈沖激光沉積法制備菱方相BFO(BiFeO₃)薄膜，再通過PS(聚苯乙烯)小球輔助離子刻蝕的方法制備菱方相BFO納米島陣列，通過外加電場對單個納米島進行調控，以控制渦旋疇的有無，從而獲得高密度、有序、相互獨立的鐵電渦旋拓撲疇結構。并以其導電性的差異作為數據存儲與讀取的基礎。另外，該渦旋疇在不做外場調控情況下，四個月后依然能夠穩定保持其渦旋結構，具有良好的穩定性。有望應用于設計具有高密度、高穩定性、高響應速度以及低能耗的新型鐵電疇壁存儲器。

進一步的，步驟S4包括如下步驟：

S41：采用壓電響應力顯微鏡的導電探針對步驟S3獲得的鐵電材料施加的負向偏壓，表征其疇結構；