一种新型铁电拓扑畴存储单元的制备方法技术

一种新型铁电拓扑畴存储单元的制备方法，包括以下步骤：S1：采用脉冲激光沉积法在(001)方向的STO(SrTiO

【技术实现步骤摘要】
一种新型铁电拓扑畴存储单元的制备方法
本专利技术涉及铁电材料
，特别是涉及一种新型铁电拓扑畴存储单元的制备方法。
技术介绍
在大数据时代的背景下，传统半导体芯片尺寸已经接近量子极限，难以进一步发展，这推动了人们探寻新型半导体电子材料体系下的存储器件以满足人类日益增长的存储需求。其中，铁电材料体系下的铁电存储器是一种新型存储器。在铁电材料中，铁电畴壁作为一种超薄的异质结存在着很多新颖的物性，如其具有较好的导电性、容易被人为擦除与产生等，故而以畴壁调控来实现数据存储能够极大提升存储密度、缩短响应时间、降低系统能耗。近年来，随着人们对存储器件的存储能力的要求不断提高，实现纳米尺度下的有序高密度铁电畴壁调控以提升储存器密度显得至关重要。拓扑畴结构因其高稳定性、小尺寸等特点，而能够避免其被调控场以外的其他外场所破坏、减小存储器的体积。目前，铁电畴壁存储器发展方向主要分为面内、面外两类。对于面内器件，主要是通在铁电薄膜表面的一对电极施加平行电场，诱导电极间的铁电薄膜在面内形成导电畴壁，而通过施加反向电场又可以擦除此畴壁，其开关比可达100倍以上，故而可以通过电场来往复调控电极间的导电性，用于数据的读取。但此方法所需的器件单元尺寸较大，且重复调控获得的导电畴壁的尺寸和位置有所差异，稳定性不够高，因此产业化应用较为困难。而对于面外器件，其原理是通过自组装或者微纳米制造手段制备出具有上下电极的铁电纳米岛，其纳米岛的极化相互独立，且能够被外加电场所单独调控。通过施加电场诱导纳米岛产生面外方向的导电畴壁，而施加反向电场则可以擦除此导电畴壁，利用面外导电性的差异来实现对数据的读取。但单个纳米岛在性能上的尺寸极限尚不明确，在未来集成化高密度器件中存在局限。因此，有必要制备一种方便调控、稳定性高的拓扑畴，能够实现高密度存储，以满足人们对存储器件的需求。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于，提供一种新型铁电拓扑畴存储单元的制备方法，制得一种方便调控、稳定性高的拓扑畴存储单元，能够实现高密度存储。本专利技术所采用的技术方案是：一种新型铁电拓扑畴存储单元的制备方法，包括以下步骤：S1：采用脉冲激光沉积法在(001)方向的STO(SrTiO3)单晶衬底上沉积一层BFO(BiFeO3)薄膜；S2：采用热蒸镀法在BFO薄膜表面上沉积一层金镀层，制得铁电材料；S3：存储单元的制备：采用导电原子力显微镜(PFM)探针在S2所述的金镀层表面进行刮擦，刮去局部金镀层，露出BFO区域，将BFO区域外周的金接地作为金电极，BFO区域中心作为BFO电极，制得存储单元；S4：存储单元的调控：通过向BFO电极施加点电压诱导BFO区域形成中心汇聚畴或中心发散畴。相比于现有技术，本专利技术通过脉冲激光沉积法制备菱方相BFO(BiFeO3)薄膜，获得的BFO薄膜表面平整、无杂相，其面外极化方向为单畴，面内极化方向为71°畴。通过热蒸镀法，在BFO薄膜表面上制得一层致密平整的金镀层，此法形成的金镀层作为面内电极具有良好的导电性，并能够被PFM探针刮除。另外，通过金电极接地以及BFO电极连接偏压闸，并通过在BFO电极施加点电压诱导得到中心型拓扑畴或中心汇聚畴，以改变BFO区域的导电性，将其作为存储数据的依据，其极化调控限于面内，所需矫顽电压较小，故而能耗较低。往复调控后存储单元的性能仍然保持稳定，并且不容易受外界电场干扰。由此，获得一种具有方便调控、稳定性高等特点的铁电拓扑畴，PFM探针能够实现纳米级的刮擦获得高密度的铁电存储材料，具有极高的应用前景。进一步的，当存储单元为二维存储单元时，步骤S3具体为：采用导电原子力显微镜探针在S2所述的金镀层表面的若干个位置进行刮擦，刮去金镀层，露出若干个相互独立的BFO区域，将每一BFO区域外周的金相连并接地作为金电极，并将每一BFO区域的中心相连作为BFO电极，制得二维存储单元。通过二维单元的结构，不仅提升了存储密度，还能通过电极定位出存储单元的位置，实现单个存储单元的寻址读写。进一步的，当存储单元为三维存储单元时，步骤S3具体为：采用导电原子力显微镜探针在S2所述的金镀层表面的若干个位置进行刮擦，刮去金镀层，露出若干个相互独立的BFO区域，将每一BFO区域外周的金相连并接地作为金电极，并将每一BFO区域的中心相连作为BFO电极，制得二维存储单元；将多个二维存储单元进行层状叠加设置，并将二维存储单元间的BFO电极相连，制得三维存储单元。通过三维存储单元的制备，不仅进一步提升了存储密度，还能通过电极定位出存储单元的位置，实现单个存储单元的寻址读写，满足微纳米电子器件产业化的需求。进一步的，步骤S3中探针的参数为：针尖轨迹由中心螺旋向外，针尖运动速率为1μm-5μm/min，针尖的运动直径为50nm-300nm，针尖对样品表面施加的力为1μN-5μN。通过此参数设置，在不对BFO薄膜造成伤害的前提下，PFM探针从圆心点往外做半径越来越大的环绕圆周运动，BFO薄膜表面的金被刮掉，获得圆形的裸露BFO凹陷区域，其中心作为BFO电极；而刮掉的金在圆形凹陷区域外围堆积，形成略高于金镀层的环，作为环状金电极。优选的，步骤S2所述的金镀层的厚度为10nm。金镀层具有良好的导电性，且此厚度的金镀层便于PFM探针进行后续的微纳米加工，制备纳米级存储单元。进一步的，步骤S2中，在蒸镀过程中，金的沉积速率为2埃每秒。进一步的，步骤S1所述的BFO薄膜的厚度为30nm。此厚度下，BFO薄膜的衬底应力得到较好释放，表现为均一的菱方相，同时表面较为平整，能够很好进行后续纳米结构的制备。进一步的，步骤S1中，脉冲激光沉积法的制备参数为：能量为300mJ/cm3，脉冲频率为8Hz，温度为650℃，氧气压为10Pa。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为实施例1制得的BFO薄膜的XRD示意图；图2为实施例1制得的镀金后的BFO薄膜的AFM形貌表征示意图；图3为实施例1制得的二维存储单元的形貌示意图；图4为实施例1制得的二维存储单元以及三维存储单元的结构示意图；图5为实施例1制得的二维存储单元的调控示意图；图6为实施例1制得的铁电材料的形貌以及导电性示意图；图7为实施例1制得的单个存储单元畴结构以及对应的导电性示意图；图8为实施例1制得的单个存储单元的读写过程示意图；图9为实施例1制得的单个存储单元的开关比变化示意图；图10为实施例1制得的单个存储单元的I-V示意图。具体实施方式实施例本实施例的新型铁电拓扑畴存储单元的制备方法，具体地包括以下步骤：S1：采用脉冲激光沉积法制备BFO薄膜：选择(001)方向的STO(SrTiO3)单晶衬底，用激光脉冲沉积法在衬底上沉积一层30nm厚的BFO(BiFeO3)薄膜(如图1所示)，脉冲激光沉积法的制备参数如下：能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型铁电拓扑畴存储单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：采用脉冲激光沉积法在(001)方向的STO单晶衬底上沉积一层BFO薄膜；/nS2：采用热蒸镀法在BFO薄膜表面上沉积一层金镀层，制得铁电材料；/nS3：存储单元的制备：采用导电原子力显微镜探针在S2所述的金镀层表面进行刮擦，刮去局部金镀层，露出BFO区域，将BFO区域外周的金接地作为金电极，BFO区域中心作为BFO电极，制得存储单元；/nS4：存储单元的调控：通过向BFO电极施加点电压诱导BFO区域形成中心汇聚畴或中心发散畴。/n

【技术特征摘要】
1.一种新型铁电拓扑畴存储单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用脉冲激光沉积法在(001)方向的STO单晶衬底上沉积一层BFO薄膜；
S2：采用热蒸镀法在BFO薄膜表面上沉积一层金镀层，制得铁电材料；
S3：存储单元的制备：采用导电原子力显微镜探针在S2所述的金镀层表面进行刮擦，刮去局部金镀层，露出BFO区域，将BFO区域外周的金接地作为金电极，BFO区域中心作为BFO电极，制得存储单元；
S4：存储单元的调控：通过向BFO电极施加点电压诱导BFO区域形成中心汇聚畴或中心发散畴。


2.根据权利要求1所述的新型铁电拓扑畴存储单元的制备方法，其特征在于，当存储单元为二维存储单元时，步骤S3具体为：采用导电原子力显微镜探针在S2所述的金镀层表面的若干个位置进行刮擦，刮去金镀层，露出若干个相互独立的BFO区域，将每一BFO区域外周的金相连并接地作为金电极，并将每一BFO区域的中心相连作为BFO电极，制得二维存储单元。


3.根据权利要求1所述的新型铁电拓扑畴存储单元的制备方法，其特征在于，当存储单元为三维存储单元时，步骤S3具体为：采用导电原子力显微镜探针在S2所述的金镀层表面的若干个位置进行刮擦，刮去金镀层，露出若干个相...

【专利技术属性】
技术研发人员：高兴森，杨文达，陈超，田国，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44