一种铁酸铋薄膜周期性条带畴的定向调控方法技术

本发明专利技术涉及一种铁酸铋薄膜周期性条带畴的定向调控方法，将铁酸铋薄膜置于导电探针下方，利用导电探针写入翻转电压，对铁酸铋薄膜周期性条带畴的初始极化矢量产生垂直电场作用，采用导电探针在薄膜表面移动扫描，对初始极化矢量产生水平拖拽作用，结合该垂直电场作用和水平拖拽作用，可以在较低电压下实现条带畴极化的翻转；并且，通过不同的扫描方向可对初始极化矢量产生水平面不同方向的拖拽作用，经过多次往复翻转配合，可克服现有方法在低电压下的单调性，实现条带畴多个方向的定向调控。

【技术实现步骤摘要】
一种铁酸铋薄膜周期性条带畴的定向调控方法
本专利技术涉及铁电畴调控领域，特别是涉及一种铁酸铋薄膜周期性条带畴的定向调控方法。
技术介绍
铁酸铋(BiFeO3)薄膜自发极化沿着<111>c晶向族，存在8个可能的方向，生长于衬底为DyScO3、底电极为SrRuO3的BiFeO3，由于衬底以及底电极在(110)o面上的应力各异性，将打破原有对称性，使畴壁只能沿着某一特定的<110>方向，形成单一有序的条带畴序列，其中两种条带畴交替排列，称之为71°周期性条带畴。请参阅图1，左侧图为BiFeO3晶格内8个可能的自发极化方向(P1，P2，P3，P4，P-1，P-2，P-3，P-4)，取出某一个(110)面出来，如右侧图所示，极化矢量的夹角一共有三种情况：71°、109°和180°。某一个单晶样品上两个相邻的铁电畴的极化方向平移到一个晶格里面时，如果夹角是71°，则两铁电畴畴壁为71°畴壁。通常情况下，矫顽场附近的偏压只能使条带畴的极化发生180°翻转，现有微观尺度下对这种条带畴进行调控的方法大多还是基于扫描探针显微镜下，利用针尖施加电压和接地底电极形成的垂直电场进行定点或者区域内的扫描写入。对于71°周期性条带畴的微观精确调控是研究此类畴结构多种畴壁现象的关键点。现有的基于扫描探针显微镜下对具有71°周期性条带畴的BiFeO3薄膜进行微观区域的铁电极化翻转的技术，在较小电压下，通常指电压在矫顽场附近时，条带畴翻转通常是180°翻转，大部分相关文献报道均是如此；在较大电压下，薄膜容易被击穿，条带畴形状容易变化，翻转行为较为复杂，均不可控。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于，提供一种铁酸铋薄膜周期性条带畴的定向调控方法，可以在较低电压下定向调控具有71°周期性条带畴的铁酸铋薄膜的条带极化方向。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种铁酸铋薄膜周期性条带畴的定向调控方法，包括以下步骤：S1：将铁酸铋薄膜置于导电探针下方；所述铁酸铋薄膜周期性条带畴的初始极化矢量由面外极化矢量和面内极化矢量叠加而成，所述面外极化矢量为垂直于铁酸铋薄膜表面的极化矢量，所述面内极化矢量为平行于铁酸铋薄膜表面的极化矢量，且所述面内极化矢量由相互垂直的两个面内分量叠加而成；S2：利用导电探针写入翻转电压，同时使导电探针的针尖在铁酸铋薄膜的表面沿着与面内极化矢量的任一面内分量相同或相反的方向进行移动扫描，实现铁酸铋薄膜周期性条带畴的定向调控。相对于现有技术，本专利技术利用导电探针写入翻转电压，对铁酸铋薄膜周期性条带畴的初始极化矢量产生垂直电场作用，采用导电探针在薄膜表面移动扫描，对初始极化矢量产生水平拖拽作用，结合该垂直电场作用和水平拖拽作用，可以在较低电压下实现条带畴极化的翻转；并且，通过不同的扫描方向可对初始极化矢量产生水平面不同方向的拖拽作用，经过多次往复翻转配合，可克服现有方法在低电压下的单调性，实现条带畴多个方向的定向调控。进一步地，所述铁酸铋薄膜生长于钪酸镝单晶衬底上，所述钪酸镝单晶衬底的[110]方向与导电探针的悬臂方向平行。进一步地，在面外极化矢量朝上且导电探针的针尖带正电的情况下，当导电探针的扫描方向与面内极化矢量的任一面内分量相同时，铁酸铋薄膜周期性条带畴发生180°翻转，当导电探针的扫描方向与面内极化矢量的任一面内分量相反时，铁酸铋薄膜周期性条带畴发生71°翻转。进一步地，在面外极化矢量朝下且导电探针的针尖带负电的情况下，当导电探针的扫描方向与面内极化矢量的任一面内分量相同时，铁酸铋薄膜周期性条带畴发生71°翻转，当导电探针的扫描方向与面内极化矢量的任一面内分量相反时，铁酸铋薄膜周期性条带畴发生180°翻转。进一步地，铁酸铋薄膜周期性条带畴经过71°翻转和180°翻转的往复翻转配合，实现109°翻转。进一步地，所述导电探针的扫描频率为1.4～1.6Hz。扫描频率优选为1.5Hz。频率过低，拖拽作用不明显；频率过高，易使带偏压针尖对极化的拖拽场失去作用，同时垂直方向的电场不能充分接触扫描位置，导致极化翻转不完整。进一步地，所述导电探针写入的翻转电压绝对值为4～6V。翻转过程中，翻转电压设置为高于矫顽场1～2V，电压过小，会导致翻转不完整；电压过大，薄膜易被烧穿，翻转行为不可控。进一步地，所述导电探针为扫描探针显微镜的探针。为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本专利技术。附图说明图1为铁酸铋晶格内的自发极化方向示意图。图2为本专利技术的铁酸铋薄膜样品置于扫描探针显微镜下的示意图。图3为本专利技术的铁酸铋薄膜周期性条带畴初始极化的PFM图。图4为本专利技术的铁酸铋薄膜周期性条带畴极化发生180°翻转之后的PFM图。图5为本专利技术的铁酸铋薄膜周期性条带畴极化发生71°翻转之后的PFM图。图6为本专利技术的铁酸铋薄膜周期性条带畴极化发生109°翻转之后的PFM图。图7为本专利技术的铁酸铋薄膜周期性条带畴的初始极化矢量以及翻转后的极化矢量示意图。具体实施方式本专利技术提供了一种铁酸铋薄膜周期性条带畴的定向调控方法，包括以下步骤：S1：将铁酸铋薄膜置于导电探针下方；所述铁酸铋薄膜周期性条带畴的初始极化矢量由面外极化矢量和面内极化矢量叠加而成，所述面外极化矢量为垂直于铁酸铋薄膜表面的极化矢量，所述面内极化矢量为平行于铁酸铋薄膜表面的极化矢量，且所述面内极化矢量由相互垂直的两个面内分量叠加而成；S2：利用导电探针写入翻转电压，同时使导电探针的针尖在铁酸铋薄膜的表面沿着与面内极化矢量的任一面内分量相同或相反的方向进行移动扫描，实现铁酸铋薄膜周期性条带畴的定向调控。具体的，所述铁酸铋薄膜生长于钪酸镝单晶衬底上，所述钪酸镝单晶衬底的[110]方向与导电探针的悬臂方向平行，所述导电探针为扫描探针显微镜的探针，通过其中的压电响应力(PFM)模式可表征出铁酸铋薄膜的条带畴结构，分析出条带畴的面内极化矢量和面外极化矢量，由于放置角度的原因，条带畴的面内极化矢量的分量和坐标轴的X轴、Y轴分别平行，设置Y轴为扫描方向。写入时扫描方向决定了条带畴最终的面内方向，导电探针的针尖带电极性不同，对极化矢量的作用也不同，针尖带正电时对极化矢量的负极有拖拽作用，针尖带负电时对极化矢量的正极有拖拽作用。具体的，针尖带正电时，扫描方向与面内极化矢量Y轴分量相同时，条带畴发生180°翻转；扫描方向与面内极化矢量Y轴分量相反时，条带畴发生71°翻转。针尖带负电时，扫描方向与面内极化矢量Y轴分量相同时，条带畴发生71°翻转；扫描方向与面内极化矢量Y轴分量相反时，条带畴发生180°翻转。因此，只需在针尖施加矫顽场附近电压的写入扫描过程中，设置不同的扫描方向，即可完成条带畴极化的180°翻转或者71°翻转，经过多次的往复翻转配合，即可定向地调控4个方向的条带畴。所述导电探针的扫描频率为1.4～1.6Hz，优选1.5Hz。所述导电探针和底电极之间写入的翻转电压绝对值为4～6V，优选5V。以下通过实施例进一步说明。实施例1本实施例提供了一种利用扫描探针显微镜对铁酸铋薄膜周期性条带畴进行180°翻转的方法，包括以下步骤：(1)请参阅图2，其为本实施例的样品置于扫描探针显微镜下的示意图。将样品A置于扫描探针显微镜下方，样品A自上而下依次包括铁酸铋(BF本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁酸铋薄膜周期性条带畴的定向调控方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：将铁酸铋薄膜置于导电探针下方；所述铁酸铋薄膜周期性条带畴的初始极化矢量由面外极化矢量和面内极化矢量叠加而成，所述面外极化矢量为垂直于铁酸铋薄膜表面的极化矢量，所述面内极化矢量为平行于铁酸铋薄膜表面的极化矢量，且所述面内极化矢量由相互垂直的两个面内分量叠加而成；S2：利用导电探针写入翻转电压，同时使导电探针的针尖在铁酸铋薄膜的表面沿着与面内极化矢量的任一面内分量相同或相反的方向进行移动扫描，实现铁酸铋薄膜周期性条带畴的定向调控。

【技术特征摘要】
1.一种铁酸铋薄膜周期性条带畴的定向调控方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：将铁酸铋薄膜置于导电探针下方；所述铁酸铋薄膜周期性条带畴的初始极化矢量由面外极化矢量和面内极化矢量叠加而成，所述面外极化矢量为垂直于铁酸铋薄膜表面的极化矢量，所述面内极化矢量为平行于铁酸铋薄膜表面的极化矢量，且所述面内极化矢量由相互垂直的两个面内分量叠加而成；S2：利用导电探针写入翻转电压，同时使导电探针的针尖在铁酸铋薄膜的表面沿着与面内极化矢量的任一面内分量相同或相反的方向进行移动扫描，实现铁酸铋薄膜周期性条带畴的定向调控。2.根据权利要求1所述的铁酸铋薄膜周期性条带畴的定向调控方法，其特征在于：所述铁酸铋薄膜生长于钪酸镝单晶衬底上，所述钪酸镝单晶衬底的[110]方向与导电探针的悬臂方向平行。3.根据权利要求1所述的铁酸铋薄膜周期性条带畴的定向调控方法，其特征在于：在面外极化矢量朝上且导电探针的针尖带正电的情况下，当导电探针的扫描方向与面内分量相同时，铁酸铋薄膜周期性条带畴发生180°翻...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈德杨，陈超，李培炼，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44