一种新型光敏铁电拓扑畴纳米岛的制备方法技术

一种新型光敏铁电拓扑畴纳米岛的制备方法，其制备方法包括以下步骤：S1：采用脉冲激光沉积法在STO(SrTiO

【技术实现步骤摘要】
一种新型光敏铁电拓扑畴纳米岛的制备方法
本专利技术涉及铁电材料
，特别是涉及一种新型光敏铁电拓扑畴纳米岛的制备方法。
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，人们尝试了多种拓扑畴的制备与调控手法，如在薄膜或块体上通过施加点电场来诱导产生单个涡旋畴，但该方法存在获得的铁电拓扑畴存在密度低、结构受限、难以集成化等缺陷，并且难以保证单点稳定往复调控；又如在超晶格中形成涡旋畴阵列，但该方法工艺复杂、产生的涡旋畴难以被人为调控，且其拓扑畴阵列存在于面内，难以探测，故而影响其作为集成化器件的实际应用价值，难以实现产业化；与此同时，还有研究在自组装的纳米岛中发现了中心型畴结构，并通过外加电场调控其畴结构中心汇聚或者发散，但此方法调控手段单一，并且自组装结构限制了半导体工艺上的可控性，再者，其畴结构只是在形状上呈现拓扑性，导电特性上与二维拓扑缺陷-电荷畴壁并无显著差异。因此，有必要制备一种方便调控、性能明显的高密度有序的拓扑畴，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，提供一种新型光敏铁电拓扑畴纳米岛的制备方法，制得高密度有序排列的铁电拓扑畴纳米岛阵列。该纳米阵列结构具有密度高、有序、方便调控、性能明显等优势。本专利技术所采用的技术方案是：一种新型光敏铁电拓扑畴纳米岛的制备方法，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SRO(SrRuO3)导电层作为底电极；S2：采用脉冲激光沉积法在SRO导电层上沉积一层菱方相BFO(BiFeO3)薄膜；S3：在S2所述的BFO薄膜表面铺展单层PS小球作为掩模板，再用氧等离子体刻蚀处理，然后置于离子束刻蚀机中进行刻蚀，最后去除残留的单层PS小球掩模板，得到菱方相BFO纳米岛阵列的铁电材料；S4：紫外光调控：通过压电响应力显微镜(PFM)和紫外光诱导所述菱方相BFO纳米岛阵列铁电材料，获得具有中心汇聚畴结构的光敏铁电拓扑畴纳米岛。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，再通过PS(聚苯乙烯)小球辅助离子刻蚀的方法制备菱方相BFO纳米岛阵列，其能够被外加电场以及紫外光所单独调控，人为诱导出不同的畴结构，从而获得高密度、有序、相互独立的铁电拓扑畴结构。再者，通过对样品施加不同光强的紫外光照，实现对样品在低导电态的71°畴壁与高导电态的中心汇聚畴之间转换，从而将这一可控的导电性差异态用于数据存储。紫外光调控能耗低、响应快，且能够通过设置光照范围进行纳米点阵列的区域化调控。采用导电原子力显微镜表征样品的导电性以及采用开尔文探针显微镜探测样品的表面电势，实现了通过表征样品表面电荷聚集情况，分析出畴结构的演变与样品表面电势高低的关联。因此，有望应用于设计具有高密度、高响应速度以及低能耗调控的新型铁电畴壁存储器，也为新型铁电传感器的发展奠定了基础。进一步的，步骤S4包括如下步骤：S41：采用压电响应力显微镜(PFM)的导电探针对S3获得的铁电材料施加偏压，再采用365nm-525nm波长的紫外光照射样品表面；S42：采用导电原子力显微镜(CAFM)对通过紫外光照射前后的样品进行表征，获得样品在紫外光照射前后的导电特性；S43：采用开尔文探针显微镜对样品表面电势的变化进行表征。进一步的，步骤S4中，对S3获得的铁电材料采用压电响应力显微镜(PFM)的导电探针施加-4.0V的偏压；紫外光照射的单次照射时间为100ms。通过施加略微高于其矫顽场的负向外加电压诱导其发生面外极化翻转，使得样品由初始的面外向下的三角形71°畴转化成面外向上的Z字型71°畴。在100ms的照射时间内，铁电材料由于铁电体光伏效应产生电荷，并聚集在其表面，从而在单个纳米岛上诱导出畴结构相变；但由于其内建电场的存在，其到达平衡态后若继续照射紫外光，将使得感生电荷在样品表面聚集，从而打破平衡态，因此将照射时间控制在100ms左右可得到稳定平衡态的畴结构。进一步的，步骤S2所述的菱方相BFO薄膜厚度为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所述的SRO导电层厚度为20nm-40nm。SRO导电层的厚度控制再此范围内较易操作，且能保证导电效果。进一步的，步骤S3包括以下步骤：S31：在盛满去离子水的培养皿中滴入直径为500nm的PS小球与乙醇的混合溶液，加入分散剂，使PS小球在去离子水表面呈单层排列；S32：将步骤S2制备得到的BFO薄膜用氧等离子体处理3分钟；S33：用镊子将处理后的BFO薄膜样品置于单层PS小球下方，然后轻轻的水平提出；待水分自然蒸发后，BFO薄膜表面形成一层单层紧密排列的PS小球；S34：将附有PS小球掩模板的BFO薄膜放置于氧等离子体刻蚀机中刻蚀处理25-35分钟，从而削小PS小球的直径，使紧密排列的PS小球分离；S35：将步骤S34得到的样品置于离子束刻蚀机中进行刻蚀；S36：去除残留的单层PS小球掩模板，得到有序的菱方相BFO纳米岛阵列。上述步骤利用聚苯乙烯(PS)小球作为刻蚀模板，制备方便省时；利用离子刻蚀技术，直接进行刻蚀，将聚苯乙烯小球的排列图案直接转移到衬底材料上，无需引入牺牲层结构，一步制得纳米结构，操作简便，工序简单；同时，离子刻蚀无需引入化学反应气体，不会引入新的杂质污染薄膜微结构，操作环境无毒无害，制备成本低，操作人员安全性高。进一步的，步骤S35中，在真空度为8.0×10-4Pa，室温条件下，保持离子束刻蚀系统的阴极电流为15.7A，阳极电压为50V，屏极电压为250V，加速电压为250V，中和电流为13A，偏置电流为1.2A，进行刻蚀3-4分钟。进一步的，步骤S36中，将步骤S35得到的样品分别放置于氯仿、酒精以及去离子水中浸泡8-12分钟，并超声5分钟，用氮气枪吹干，再用低功率氧等离子清洗表面4-6分钟，即可得到有序的菱方相BFO纳米岛阵列。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680℃，氧气压为15Pa。进一步的，步骤S2中，脉冲激光沉积法的制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型光敏铁电拓扑畴纳米岛的制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：/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SRO导电层作为底电极；/nS2：采用脉冲激光沉积法在SRO导电层上沉积一层菱方相BFO薄膜；/nS3：在S2所述的BFO薄膜表面铺展单层PS小球作为掩模板，再用氧等离子体刻蚀处理，然后置于离子束刻蚀机中进行刻蚀，最后去除残留的单层PS小球掩模板，得到菱方相BFO纳米岛阵列的铁电材料；/nS4：紫外光调控：通过压电响应力显微镜和紫外光诱导所述菱方相BFO纳米岛阵列铁电材料，获得具有中心汇聚畴结构的光敏铁电拓扑畴纳米岛。/n

【技术特征摘要】
1.一种新型光敏铁电拓扑畴纳米岛的制备方法，其特征在于，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单晶衬底上沉积一层SRO导电层作为底电极；
S2：采用脉冲激光沉积法在SRO导电层上沉积一层菱方相BFO薄膜；
S3：在S2所述的BFO薄膜表面铺展单层PS小球作为掩模板，再用氧等离子体刻蚀处理，然后置于离子束刻蚀机中进行刻蚀，最后去除残留的单层PS小球掩模板，得到菱方相BFO纳米岛阵列的铁电材料；
S4：紫外光调控：通过压电响应力显微镜和紫外光诱导所述菱方相BFO纳米岛阵列铁电材料，获得具有中心汇聚畴结构的光敏铁电拓扑畴纳米岛。


2.根据权利要求1所述的新型光敏铁电拓扑畴纳米岛的制备方法，其特征在于，步骤S4包括如下步骤：
S41：采用压电响应力显微镜的导电探针对S3获得的铁电材料施加偏压，再采用365nm-525nm波长的紫外光照射样品表面；
S42：采用导电原子力显微镜对通过紫外光照射前后的样品进行表征，获得样品在紫外光照射前后的导电特性；
S43：采用开尔文探针显微镜对样品表面电势的变化进行表征。


3.根据权利要求1所述的新型光敏铁电拓扑畴纳米岛的制备方法，其特征在于，步骤S4中，对S3获得的铁电材料采用压电响应力显微镜(PFM)的导电探针施加-4.0V的偏压；紫外光照射的单次照射时间为100ms。


4.根据权利要求1所述的新型光敏铁电拓扑畴纳米岛的制备方法，其特征在于，步骤S2所述的菱方相BFO薄膜厚度为30nm。


5.根据权利要求1所述的新型光敏铁电拓扑畴纳米岛的制备方法，其特征在于，步骤S1所述的SRO导电层厚度为20nm-40nm。


6.根据权利要求1所述的新型光敏铁电拓扑畴纳米岛的制备方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：
S31：在盛满去离子水的...

【专利技术属性】
技术研发人员：高兴森，杨文达，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