一种氧化物基柔性微纳器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化物基柔性微纳器件，包括从下到上依次设置的衬底层、缓冲层和薄膜层，衬底层的材料为单晶云母，缓冲层的材料选自SrTiO3、SrRuO3、SrIrO3、SrCoO3、BaTiO3、MgO、HfO2、Al2O3中的一种，薄膜层的材料选自SrTiO3、SrRuO3、SrIrO3、SrCoO3、BaTiO3、MgO、HfO2、Al2O3中的一种，本发明专利技术还提供了一种氧化物基柔性微纳器件的制备方法，与现有技术相比，本发明专利技术氧化物基柔性微纳器件使用云母作为柔性衬底，能够大面积且直接高温外延生长各类单晶氧化物，薄膜与云母以范德华力紧密结合，界面不存在间隙，避免柔性制备产生气泡、间隙等缺陷，具备较好的结构稳定性和抗冲击性，另外柔性弯曲应变连续可调。连续可调。连续可调。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化物基柔性微纳器件及其制备方法


[0001]本专利技术属于磁性材料与元器件
，具体涉及一种氧化物基柔性微纳器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着大数据时代的持续快速发展，传统电子器件在尺寸微缩过程中面临着尺寸物理极限、功耗激增和人体兼容性差等问题，难以满足与日俱增的发展需求。柔性自旋电子器件结合了自旋电子学器件高密度、低功耗和高灵敏度等特点，通过柔性化工艺大大拓展了电子器件的应用场景，有望成为满足未来发展需求的解决方案之一。
[0003]当前柔性自旋电子器件主要通过在PI、PEN等有机柔性衬底上直接制备，或在Si/SiO2等刚性衬底加工制备，再减薄柔性化等工艺制备。但由于前述方法有机衬底不耐高温，柔性自旋电子学材料体系局限在对弯曲应变响应较弱的金属体系，如CoFeB、Pt等，柔性薄膜性质也有待优化。而后者则存在工艺复杂，成本高等诸多缺陷。因此，柔性自旋电子器件的发展亟需拓展材料体系，开发性能优异的功能材料，同时发展更先进的柔性化工艺。
[0004]氧化物不仅天然具有一定的温度和化学稳定性，而且由于电荷、自旋、晶格、轨道和拓扑等多自由度耦合，呈现出诸如铁电性、铁磁性、热电性、自旋轨道耦合等丰富的功能特性，是研究柔性自旋电子学的理想材料体系。当前，氧化物薄膜的柔性化主要有两种方法：一种是基于牺牲层的剥离转移法，通过溶解牺牲层获得自支撑目标薄膜，再转移到目标柔性衬底上。该方法能够制备不同晶向的薄膜，并且实现较大的拉伸应力施加。然而，由于衬底尺寸限制和工艺上的因素，很难真正实现大面积制备，以及达到表面平整无气泡、间隙、裂纹等要求，限制其研究和应用。另一种基于云母衬底的范德华外延法，能直接在高温下外延生长单晶薄膜，相较于前者，薄膜与云母以范德华力结合，界面结合质量高，同时减少了剥离转移过程，避免了气泡、间隙等转移缺陷的产生，具备较好的结构稳定性和抗冲击性。另外，云母衬底无尺寸限制，不需要晶格匹配，能大面积制备各种氧化物，受到广泛欢迎。
[0005]然而由于云母本身易脆裂，加之氧化物延展性较差，导致在微纳加工和柔性弯曲过程中，容易产生裂纹。因此，该方法多用于对氧化物非输运性质(如磁矩)的调控，而基于该方法的柔性氧化物磁电输运性质表征研究较少，更遑论其微纳自旋电子器件。
[0006]因此，微纳加工以及柔性弯曲的无损化对无缺陷和结构稳定的柔性氧化物自旋电子器件的制备至关重要。另外微纳结构也能避免由于大的薄膜表面弯曲造成磁场与各处薄膜方向严重偏差的问题。这将为柔性自旋电子学研究提供新的材料体系和制备工艺，为氧化物自旋电子学研究提供额外的弯曲自由度，对自旋电子学的发展和低功耗柔性自旋电子器件的应用具有重要意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种氧化物基柔性微纳器件的制备方法，具有简单易行、
表面平整、结构稳定、可大面积制备、连续弯曲等优点。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种氧化物基柔性微纳器件，包括从下到上依次设置的衬底层、缓冲层和薄膜层，所述衬底层的材料为单晶云母，所述缓冲层的材料选自SrTiO3、SrRuO3、SrIrO3、SrCoO3、BaTiO3、MgO、HfO2、Al2O3中的一种，所述薄膜层的材料选自SrTiO3、SrRuO3、SrIrO3、SrCoO3、BaTiO3、MgO、HfO2、Al2O3中的一种。
[0009]在本专利技术氧化物基柔性微纳器件中，氟晶云母(mica)衬底化学式为KMg3(AlSi3O
10
)F2，二维层状结构，层间以范德华力结合，可耐高温，厚度小于一定程度可以实现柔性弯曲，本专利技术选用云母衬底直接外延生长氧化物薄膜可以避免转移薄膜出现的气泡、间隙等缺陷，结构稳定。
[0010]作为优选，所述缓冲层的材料为SrTiO3，且所述缓冲层具有(111)晶向，所述薄膜层的材料为SrRuO3，且所述薄膜层具有(111)晶向。
[0011]本专利技术选用具有钙钛矿结构的SrTiO3(STO)作为缓冲层，其介电性质稳定，并且与大多数钙钛矿型氧化物晶格匹配(晶格常数)，同时STO能够在云母表面外延生长，同时提供平整的(111)表面，有利于单晶薄膜高质量生长，另外在薄膜微纳加工过程中，避免了云母被直接刻蚀，有效减少了弯曲过程中产生影响电学输运性能测试的不稳定因素，因此成为本专利技术优选缓冲材料。
[0012]作为优选，所述衬底层的厚度≤50μm，所述缓冲层的厚度为10
‑
100nm，所述薄膜层的厚度为≤1μm。STO缓冲层不宜过于薄，过薄容易导致目标薄膜形貌不平、结晶质量差、刻蚀余量小等问题。云母厚度越薄，柔性越好，能放置在更大曲率的模具上，但小于5μm左右采用本方法在实验室中机械剥离减薄极易导致云母碎裂，另外施加在薄膜上的应力与云母厚度和曲率都成正比，所以较厚的云母，也有利于应力施加，但超过50μm基本不具备可观的柔性弯曲形变。
[0013]作为优选，所述缓冲层的生长温度为300
‑
900℃，所述薄膜层的生长温度为300
‑
900℃。
[0014]本专利技术的另一个目的在于提供氧化物基柔性微纳器件的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：
[0015]S1、采用脉冲激光沉积方法在衬底层上沉积缓冲层；
[0016]S2、采用脉冲激光沉积方法在步骤S1制得的缓冲层上沉积薄膜层；
[0017]S3、对步骤S2制得的薄膜层进行微纳加工，使薄膜层上获得测试图案；
[0018]S4、对步骤S3中的衬底层进行剥离减薄处理得到氧化物基柔性微纳器件坯件；
[0019]S5、将步骤S4制得的氧化物基柔性微纳器件坯件进行热释放得到氧化物基柔性微纳器件半成品；
[0020]S6、将步骤S5制得的氧化物基柔性微纳器件半成品的上下表面均进行封装得到氧化物基柔性微纳器件。
[0021]本专利技术制备过程中，缓冲层为氩刻深度提供了容错率，避免出现SRO薄膜刻蚀不完全和云母衬底微裂纹等问题，电极图案经过精心设计，将电极接线位置置于云母边缘两侧，方便在实验室中进行后续封装和接线程序。
[0022]作为优选，所述步骤S1或步骤S2中，脉冲激光沉积方法选自脉冲激光沉积方法、磁控溅射方法、分子束外延、物理气相沉积方法中的一种。
[0023]作为优选，脉冲激光沉积的具体参数如下：衬底温度为800
‑
900℃，脉冲激光能量密度为1.2
‑
1.4J/cm2，脉冲激光频率为3
‑
5Hz，首先在0.01mbar低氧压下生长若干脉冲，当缓冲层呈现3D生长后在0.15mbar高氧压下二维生长缓冲层。
[0024]作为优选，所述步骤S2中，脉冲激光沉积的具体参数如下：衬底温度为650
‑
750℃，氧气气压为0.15mbar，脉冲激光能量密度为1.2
‑
1.4J/cm2，脉冲激光频率为1
‑
3Hz。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化物基柔性微纳器件，其特征在于，包括从下到上依次设置的衬底层、缓冲层和薄膜层，所述衬底层的材料为单晶云母，所述缓冲层的材料选自SrTiO3、SrRuO3、SrIrO3、SrCoO3、BaTiO3、MgO、HfO2、Al2O3中的一种，所述薄膜层的材料选自SrTiO3、SrRuO3、SrIrO3、SrCoO3、BaTiO3、MgO、HfO2、Al2O3中的一种。2.如权利要求1所述的氧化物基柔性微纳器件，其特征在于，所述缓冲层的材料为SrTiO3，且所述缓冲层具有(111)晶向，所述薄膜层的材料为SrRuO3，且所述薄膜层具有(111)晶向。3.如权利要求1或2所述的氧化物基柔性微纳器件，其特征在于，所述衬底层的厚度≤50μm，所述缓冲层的厚度为10
‑
100nm，所述薄膜层的厚度≤1μm。4.如权利要求1或2所述的氧化物基柔性微纳器件，其特征在于，所述缓冲层的生长温度为300
‑
900℃，所述薄膜层的生长温度为300
‑
900℃。5.一种如权利要求1
‑
4任一所述的氧化物基柔性微纳器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括如下步骤：S1、采用脉冲激光沉积方法在衬底层上沉积缓冲层；S2、采用脉冲激光沉积方法在步骤S1制得的缓冲层上沉积薄膜层；S3、对步骤S2制得的薄膜层进行微纳加工，使薄膜层上获得测试图案；S4、对步骤S3中的衬底层进行剥离减薄处理得到氧化物基柔性微纳器件坯件；S5、将步骤S4制得的氧化物基柔性微纳器件坯件进行热释放得到氧化物基柔性...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚礼光，芦增星，劳斌，吴可怡，楼奕含，李孟周，汪志明，李润伟，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：