[發明專利]一種利用針尖電場在鐵電薄膜中構建周期性條帶疇的方法

在審

• 申請號: 202011171694.7
• 申請日: 2020-10-28
• 公開（公告）號: CN112467025A
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 李忠文;申慧;王延宗;宋光;李冠男;張正中
• 申請（專利權）人: 淮陰工學院
• 主分類號: H01L43/12
• 分類號: H01L43/12
• 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

本發明公開了一種利用針尖電場在鐵電薄膜中構建周期性條帶疇的方法，屬于微納結構技術領域，通過脈沖激光沉積技術生長鐵酸鉍薄膜，低氧壓的生長條件保證了薄膜中含有缺陷，利用的電場，是在壓電力顯微鏡的針尖上施加偏壓產生的針尖電場；薄膜中的面外、面內極化在針尖電場作用下同時翻轉、重新定向，形成納米尺度的高密度周期性條帶疇；構建的條帶疇具有良好的穩定性，可用于高密度鐵電隨機存取存儲器。本發明使用的制備方法，脈沖激光沉積技術成熟，基于掃描探針顯微鏡的矢量壓電力顯微技術操作簡單，具備很好的實用性。

技術領域

本發明屬于微納結構技術領域，具體涉及一種利用針尖電場在鐵電薄膜中構建周期性條帶疇的方法。

背景技術

近年來，隨著人們對器件微型化的要求愈加強烈，市場對具有多功能的材料表現出熱切期盼。單相多鐵性材料就是這種多功能材料的代表。所謂多鐵性材料，就是一種材料同時具有鐵電性和磁性，更重要的是，通過施加電場能夠可靠調控材料的磁性或施加磁場可靠調控材料的鐵電性，因此也稱為磁電偶合材料。鐵電存儲器具有低功耗、快速寫入、大得多的擦寫次數(3.3V超過10¹⁶次)等優點，缺點是存儲密度低；鐵磁存儲器具有快讀取、價格低的優點，缺點是寫入慢。單相多鐵性材料就是把這二者的優點結合并集于一身的材料，可用于新型高密度的存儲器，滿足市場需求。

目前，研究最多的單相多鐵材料是鐵酸鉍(化學式為BiFeO₃,簡寫為BFO)，因其室溫下表現出鐵電性、鐵彈性和反鐵磁性。BFO的磁電耦合系數較弱，盡管研究人員已經在其單晶和薄膜樣品中實現了電場對反鐵磁的控制，但是關于磁電耦合的問題依然存在，尤其是在納米尺度，影響材料在微型化設備中的使用。BFO材料的定量研究，遇到的挑戰源于其復雜的鐵電結構，在其贗立方單胞中沿體對角線有8個等量的極化方向，產生的疇由三種疇壁分開，71°鐵彈和鐵電疇；109°鐵彈和鐵電疇；180°純鐵電疇。理解和控制這些極化態之間的翻轉以及極化翻轉對薄膜磁序的影響，是邁向器件應用的關鍵一步。

針對鐵電存儲器的存儲密度不高的缺點，科研人員選取了不同的解決路徑。比如，通過制備具有周期性條帶疇的薄膜，這些疇的形成緊密依賴于薄膜的生長參數、使用的襯底和底電極的結構，參數多、條件苛刻，制備有一定難度；通過光刻，對光刻膠及其模板有要求；通過聚焦離子束刻蝕，經常會在樣品中注入離子或引入缺陷，通常也需要模板輔助。利用壓電力顯微鏡的針尖電場，可以寫入周期性的納米疇。對于制備獲得的質量不高、缺陷多的樣品，借助于針尖電場使帶電缺陷定向移動，將碎片化的納米疇連成周期性的條帶疇結構，可以獲得具有周期性條帶疇的高質量的樣品。

極化翻轉的精確控制是基于極化過程中的針尖的掃描方向。在壓電力顯微鏡的導電針尖上施加偏壓會產生電場，因為針尖的幾何形狀呈圓錐狀，所以電場的空間分布是放射狀對稱的。與靜止狀態下的針尖電場不同，運動的針尖會打破電場的對稱性，沿針尖的掃描方向在面內形成尾部電場。這種尾部電場為調控疇結構提供了有效途徑。

科技文獻《Deterministic control of ferroelastic switching inmultiferroic materials》(Nature Nanotechnology，2009，4(12)：868-875)發現，通過針尖放射狀對稱的電場在其運動中出現對稱性破缺，可以確定性地控制菱形相鐵電體中非180°的極化翻轉，構建通量閉合、“之”字形、星形等特殊形狀的疇，從而可以局部控制應變和磁性序；這種確定性的控制可以擴展到其它低對稱性系統，從而用于磁電、應變耦合等相關設備；還可以探索非易失性存儲器和隧道勢壘中的多個開關狀態，為開發基于極化操控的電子器件的更多功能提供思路。

綜上所述，有必要提出一種新的方法，并開發出新的技術路徑，實現綠色環保、高質量、低成本的高密度鐵電存儲器件制備。

發明內容

發明目的：針對鐵電隨機存取存儲器面臨存儲密度的問題，本發明的目的在于提供一種利用針尖電場在鐵電薄膜中構建周期性條帶疇的方法。