[發明專利]一種基于鐵電拓撲態疇壁超磁阻效應的傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 202110727954.2
• 申請日: 2021-06-29
• 公開（公告）號: CN113517390A
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發明（設計）人: 高興森;楊文達;劉俊明;田國
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/10;H01L43/12;B82Y15/00;B82Y30/00;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

1.一種基于鐵電拓撲態疇壁超磁阻效應的傳感器，其特征在于：包括頂電極、BFO納米島和底電極，所述BFO納米島設于頂電極和底電極之間，且其可在外加直流偏壓下由初始之字型疇結構轉變為渦旋疇結構；

當BFO納米島處于渦旋疇結構時，其渦心為一維的拓撲缺陷且具有明顯高于疇區的類金屬導電性；當外加磁場為0時，渦心處形成的一維導電通道可導電；當具有外加磁場時，電流在渦心處發生偏轉，渦旋疇結構導電性下降，呈現出超磁阻效應。

2.根據權利要求1所述的基于鐵電拓撲態疇壁超磁阻效應的傳感器，其特征在于：所述BFO納米島陣列采用聚苯乙烯小球輔助氬離子刻蝕的方法在菱方相BFO薄膜上制得。

3.一種基于鐵電拓撲態疇壁超磁阻效應的傳感器的制備方法，其特征在于，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底電極上沉積一層菱方相BFO薄膜；

S3：在S2制得的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，得到有序的鐵電納米點陣列；

S4：以可移動的導電原子力顯微鏡導電探針為頂電極，對樣品施加略高于樣品矯頑場的外加偏壓誘導菱方相BFO單個納米島上形成四象限閉合的渦旋態，從而形成頂電極/渦旋疇態納米島/底電極結構的基于鐵電拓撲態疇壁超磁阻效應的傳感器；通過針尖對樣品施加略高于樣品矯頑場的正/反向偏壓，可以使樣品的疇結構在渦旋態與初始之字型態之間往復切換，從而控制渦心-疇區這一結構的產生與消失，即實現傳感器的功能性開關。

4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟S2中制得的BFO薄膜的厚度為40nm。

5.根據權利要求4所述的基于鐵電拓撲態疇壁超磁阻效應的傳感器的制備方法，其特征在于，步驟S4中，通過頂電極對樣品施加-3.5V偏壓或通過底電極對樣品施加+3.5V偏壓可誘導菱方相BFO單個納米島上形成四象限閉合的渦旋態；之后再通過頂電極對樣品施加+3.5V偏壓或通過底電極對樣品施加-3.5V偏壓可使樣品的疇結構切換回初始之字型態。

6.根據權利要求3所述的基于鐵電拓撲態疇壁超磁阻效應的傳感器的制備方法，其特征在于，步驟S1中，制得的SRO導電層厚度為20nm，脈沖激光沉積法的制備參數為：能量為300mJ/cm³，脈沖頻率為8Hz，溫度為680℃，氧氣壓為15Pa。

7.根據權利要求4所述的基于鐵電拓撲態疇壁超磁阻效應的傳感器的制備方法，其特征在于，步驟S2中，脈沖激光沉積法的制備參數為：能量為300mJ/cm³，脈沖頻率為8Hz，溫度為680℃，氧氣壓為5Pa。

8.根據權利要求3所述的基于鐵電拓撲態疇壁超磁阻效應的傳感器的制備方法，其特征在于，步驟S3包括以下步驟：

S31：在盛滿去離子水的培養皿中滴入直徑為500nm的PS小球與乙醇的混合溶液，加入分散劑，使PS小球在去離子水表面呈單層排列；

S32：將步驟S2制備得到的BFO薄膜用氧等離子體處理3min；

S33：用鑷子將處理后的BFO薄膜樣品置于單層PS小球下方，然后輕輕的水平提出；待水分自然蒸發后，BFO薄膜表面形成一層單層緊密排列的PS小球；

S34：將附有PS小球掩模板的BFO薄膜放置于氧等離子體刻蝕機中刻蝕處理25～35min，從而削小PS小球的直徑，使緊密排列的PS小球分離；

S35：將步驟S34得到的樣品置于離子束刻蝕機中進行刻蝕；

S36：去除殘留的單層PS小球掩模板，得到有序的鐵電納米點陣列。