一种基于机械应变调控BaTiO制造技术

本发明专利技术公开了一种基于机械应变调控BaTiO

A kind of BaTiO based on mechanical strain control

【技术实现步骤摘要】
一种基于机械应变调控BaTiO3铁电薄膜中极化旋转的使用方法
本专利技术涉及电介质材料应用领域，具体涉及如何施加不同应力来调控铁电极化在面内的旋转，具体为一种基于机械应变调控BaTiO3铁电薄膜中极化旋转的使用方法。
技术介绍
铁电材料的应用极其广泛，作为电介质材料，由于其具有很高的电容率，低电导、自发极化、电光、压电等性能，因而广泛用于信息存储、压电传感、大容量的电容、光显示、光调制等领域的器件设计和制造。而作为数据信息存贮功能实现的基本理论依据，在介电存储时，现在普遍利用的是在铁电材料中通过外电场调控的自发极化的上下翻转，实现的“0”和“1的两态存贮。电场和应变作为极化调控的两个基本手段，已经得到广泛的研究和采用。特别是近几年来对应变的研究发现，应变不仅可以调控电介质的结构相变、光学性质，极化大小，铁电转变温度，还可以调控其介电和压电性质，有利于实现这些物理性能的优化和提升。事实上，随着现代实验设备性能的不断提升，实验技术的不断进步，实验条件的改善使得人们对原子层级的应变操控也能成功实现。为了获得理想的物理性质，研究人员探索出多种应变调控的方式和手段，包括：外加静水压、通过失配的衬底晶格调控面内单轴或双轴应变、在表面施加垂直压力、通过原子的替位掺杂或填隙掺杂制造材料内部化学应变等等。施加不同类型的应变，对这些物理性能的提升和改进作用效果不同，当然有些甚至具有反作用。虽然应变能调控的性能很多，应变通过调控材料晶体结构对称性，改变材料内部的电子能带结构，从而实现对宏观物理性能的调控。通常，外加拉应变可以调控铁电极化的转动，但难以保证是面内旋转。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种基于机械应变调控BaTiO3铁电薄膜中极化旋转的使用方法，通过对衬底施加双轴等效应变，借助衬底与薄膜间的应变耦合，实现铁电自发极化的面内旋转，并且既可用于对BaTiO3薄膜中的极化旋转调控，也适用于较小BaTiO3体材料中极化面内转动调控。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于机械应变调控BaTiO3铁电薄膜中极化旋转的使用方法，包括衬底和BaTiO3薄膜，所述薄膜设置在衬底上方，具体操作如下：薄膜沿着[001]方向进行生长，先对薄膜进行极化处理，再对四方相衬底外加双轴等效面内应力，衬底应变通过界面晶格失配传递至薄膜，使得薄膜受到的张应变逐渐变小，导致薄膜极化在面内向c轴方向翻转；当衬底的压应变增大到-3%时，极化取向完全翻转到沿c轴方向，继续增加衬底应力，导致沿c轴方向的极化增大，但方向不变，注意衬底四个方向的应力同步等值增加；当应力作用达到足以使极化取向完全沿c轴时，逐步减小应力，记录各个应力作用下，薄膜铁电极化的大小和方向。优选的，所述BaTiO3薄膜通过外延方法生长于[001]方向的四方衬底上，所述薄膜的厚底小于等于100um。优选的，所述BaTiO3薄膜进行初始极化：将薄膜放置于沿对角线方向的电场作用下，逐渐加大电场，并实时测量薄膜的极化强度，直至薄膜在电场方向的极化强度不再增加为止。优选的，对薄膜的衬底外加应力驱动极化翻转，铁电薄膜的极化在面内翻转时，薄膜铁电极化的大小也会发生改变，但由于相变是连续的二级相变，因而极化P大小的变化也是连续的，不会发生跃变。优选的，根据对BaTiO3单晶第一性计算的结果，得到极化P-应变u的关系：张应变0.75%时，Px=Py，Pz=0，铁电极化达到面内最大，而随着张应变减小，当压应变增大到0.01（1%）时，极化完全翻转到c轴方向,Px=Py=0，Pz到达最大。优选的，所述BaTiO3薄膜发生三次相变，在应变范围内经历四个相，包括两个四方相、一个三方相，一个立方相，极化连续变化。优选的，所述极化在面内旋转的角度为90o，从躺在薄膜平面内到垂直于薄膜平面。优选的，所述衬底选用具有面内各项同性且杨氏模量较大的材料，衬底材料的晶格常数要求比体相BaTiO3的晶格常数大1%-3%，确保衬底和晶格间100%的应变传递以及两种材料的晶格常数适配度。与现有技术相比，采用了上述技术方案的基于机械应变调控BaTiO3铁电薄膜中极化旋转的使用方法，具有如下有益效果：采用本专利技术的基于机械应变调控BaTiO3铁电薄膜中极化旋转的使用方法，通过对衬底施加双轴等效应变，借助衬底与薄膜间的晶格耦合，可实现极化在面内连续转动，每转动一个角度都是一个存储态，从而提供一种多态存储；该极化取向既可通过电场调控，也可通过应变调控，根据选定的衬底及其与薄膜晶格的失配关系，确定外加应变大小与极化翻转角度的关系，即根据应变的大小决定极化的量子态；通过衬底与薄膜的耦合，具有结构简单、操作方便，可大大提高集成度等优点，且易于加工，实现信息存储的指数增加。附图说明图1为本专利技术基于机械应变调控BaTiO3铁电薄膜中极化旋转的使用方法实施例的结构示意图；图2为本实施例中基于机械应变调控BaTiO3铁电薄膜中极化旋转的使用方法的原理示意图。附图标记：1、薄膜；2、衬底。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。如图1所示为基于机械应变调控BaTiO3铁电薄膜中极化旋转的使用方法的结构示意图，包括BaTiO3薄膜1和衬底2，薄膜1设置在衬底2上方，具体操作如下：BaTiO3薄膜1通过外延方法生长于[001]方向的四方衬底上，在本实施例中，薄膜1的厚底小于等于100um。衬底2可以选用具有面内各项同性且杨氏模量较大的材料，衬底2材料的晶格常数要求比体相BaTiO3的晶格常数大1%-3%，确保衬底2和晶格间100%的应变传递以及两种材料的晶格常数适配度。先对薄膜1进行极化处理，将薄膜1放置于沿对角线方向的电场作用下，逐渐加大电场，并实时测量薄膜2的极化强度，直至薄膜2在电场方向的极化强度不再增加为止，此时薄膜的铁电极化在薄膜平面内对角线方向达到最大。沿图1所示箭头方向对四方相衬底2外加双轴等效面内应力，注意衬底2四个方向的应力同步等值增加。衬底2的应变通过界面晶格失配传递至薄膜1，使得薄膜1受到的张应变逐渐变小，导致薄膜1极化在面内逐渐向c轴方向翻转，从平行于薄膜1平面翻转到垂直于薄膜1平面的c方向。铁电极化在面内旋转的角度为90o。继续同步增加应力，当衬底2的压应变增大到-3%时，极化取向完全翻转到沿c轴方向，此时，继续增加衬底2应力，将导致沿c轴方向的极化强度增大，但方向不变。在整个应变范围内，BaTiO3薄膜2发生三次相变，在应变范围内经历四个相，包括两个四方相、一个三方相，一个立方相，极化连续变化。如图2所示为基于机械应变调控BaTiO3铁电薄膜中极化旋转的使用方法的原理示意图，通过对BaTiO3材料进行第一性原理计算，测得了极化P-应变u的关系图。计算过程中，没有考虑衬底2与薄膜晶格之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于机械应变调控BaTiO

【技术特征摘要】
1.一种基于机械应变调控BaTiO3铁电薄膜中极化旋转的使用方法，其特征在于：包括衬
底和BaTiO3薄膜，所述薄膜设置在衬底上方，具体操作如下：薄膜沿着[001]方向进行生长，
先对薄膜进行极化处理，再对四方相衬底外加双轴等效面内应力，衬底应变通过界面晶格
失配传递至薄膜，使得薄膜受到的张应变逐渐变小，导致薄膜极化在面内向c轴方向
翻转；当衬底的压应变增大到-3%时，极化取向完全翻转到沿c轴方向，继续增加衬底应力，
导致沿c轴方向的极化增大，但方向不变，注意衬底四个方向的应力同步等值增加；当应力
作用达到足以使极化取向完全沿c轴时，逐步减小应力，记录各个应力作用下，薄膜铁电极
化的大小和方向。


2.根据权利要求1所述的基于机械应变调控BaTiO3铁电薄膜中极化旋转的使用方法，其特征在于：所述BaTiO3薄膜通过外延方法生长于[001]方向的四方衬底上，所述薄膜的厚底小于等于100um。


3.根据权利要求1所述的基于机械应变调控BaTiO3铁电薄膜中极化旋转的使用方法，其特征在于：所述BaTiO3薄膜进行初始极化：将薄膜放置于沿对角线方向的电场作用下，逐渐加大电场，并实时测量薄膜的极化强度，直至薄膜在电场方向的极化强度不再增加为止。


4.根据权利要求1所述的基于机械应变调控BaTiO3铁电薄膜中极化旋转的使用方法，其
特征在于：对...

【专利技术属性】
技术研发人员：仲崇贵，顾小伟，朱森杰，杨民民，李祥彪，周朋霞，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32