本发明专利技术公开了一种通过铁电极化可以调控有效电阻的单相铁电薄膜、制备方法及有效电阻调控方式。本发明专利技术的单相铁电薄膜包括B位掺杂的锆钛酸钡Ba1-xSrxTi1-yByO3、铁酸铅Pb(Fe1-yBy)O3、钴酸铅Pb(Co1-yBy)O3、锆钛酸铅(Pb1-xAx)(ZryTi1-y)O3、A位掺杂的锰酸钇Y1-xAxMnO3、铁酸铋Bi1-xAxFeO3、钛酸铋Bi4-xAxTi3O12；本发明专利技术利用脉冲激光沉积、激光分子束外延、磁控溅射的薄膜制备方法制备单相铁电薄膜；制得的铁电薄膜的厚度在0.4-1000纳米，并且具有较大的电导和漏电流，同时具备铁电性和半导体性能；本发明专利技术提供了一种提高单相铁电薄膜抗疲劳性能的方法，其铁电极化翻转次数可以提高到x=102~1010次，通过翻转铁电极化，可以调控单相铁电薄膜的有效电阻。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微电子材料领域，通过铁电极化调控单相铁电薄膜的有效电阻，并制备非挥发性保存和非破坏性读出的新型信息存储单元。
技术介绍
铁电材料是指在居里温度下具有自发极化的材料，其自发极化方向可以在大于铁电矫顽场(E。)外加电场下重新定向。铁电材料的正反极化方向可以代表二进制信号“1”和 “0”，铁电极化的翻转速度远远超过铁磁材料中磁矩翻转速度，因此铁电材料可以用于制备铁电存储器。铁电材料作为压电材料的重要成员，可以用于制备各种“压强-电场”相互转换的传感器，比如医院内B超的超声波发射和接收探头。铁电材料是一类重要的热释电和介电材料，在红外成像、电容器等方面具有广泛的应用。介绍铁电材料的制备及其各种应用的中国专利超过270项。有少数专利介绍了铁电材料和半导体基片的集成和兼容，或者部分牵涉到其它材料中的半导体性能。比如，中国专利CN101159271A提供了一种铁电薄膜电容的制备方法，特征是在铁电薄膜层和底电极之间设置一个1(Γ30纳米厚Ti02的缓冲层，用来提高铁电材料剩余极化强度，使电滞回线更加饱满。再如，中国专利CN101315881A将铁电材料铌酸锂与III族氮化物半导体材料集成在一起，制备了基于“铌酸锂/III族氮化物”的铁电半导体复合薄膜，通过半导体器件工艺制备具体的器件。但是，现在仅有的铁电半导体存储器也只是简单利用了材料的铁电性， 或者将铁电材料与半导体材料集成，没有在单一的铁电材料中同时介绍铁电性能和半导体性能，因此现有的非挥发、非破坏性存储器有着很大的局限性。并且这类存储元件只是使用电阻接近无限大的铁电绝缘材料，主要利用铁电材料的铁电属性，而没有考虑在电阻较小的铁电材料中铁电极化对有效电阻的调制作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可以通过铁电极化调控有效电阻的单相铁电薄膜；充分极化具有较大电导的铁电薄膜，改善铁电极化翻转过程中的抗疲劳性能。通过外加电场调控有效电阻，以制备非挥发性保存、非破坏性读出的、铁电极化调控的信息存储单元。实现本专利技术目的的技术解决方案为一种单相铁电薄膜，包括B位掺杂的锆钛酸钡 Bai_xSrxTi"ΒΑ、铁酸铅 Pb (Fe1^y) 03、钴酸铅 Pb (CcvyBy) 03、锆钛酸铅(PVxAx) (ZryTi1^y) O3> A位掺杂的锰酸钇Y1-人Μη03、铁酸铋Bi1-A^eO3,钛酸铋Bi4_xAxTi3012，其中O ￡x ￡0. 8， O ￡y ￡0. 8，A 为 Sr、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、La、Nd、Tb、Sm、Pr、Mg 中的一种或多种金属离子，B 为 Co, Fe, Nb、Mn、Zr、Zn中的一种或多种金属离子。一种单相铁电薄膜的制备方法，利用脉冲激光沉积、激光分子束外延、磁控溅射的薄膜制备方法制备单相铁电薄膜；采用SrTi03、Nb-SrTiO3^ DySc03、NdGaO3^ Si作为基片； 采用SrRu03、Pt、LaxSrPxMnO3、透明氧化物ITO作为顶部或者底部电极，其中0. 3 ￡x ￡0. 7 ； 具体步骤为用脉冲激光沉积法或激光分子束外延法制备铁电薄膜，这两种方法有相同的工艺流程和参数将基片和靶材安装到生长腔内，随后利用机械泵和分子泵抽成真空，沉积前衬底温度升至为300°C至700°C，氧分压调节到到IO2Pa,随后调节激光器能量为 10(T300mJ，频率在5 IOHz ；预溅射3飞分钟使表面清洁后开始生长，沉积完毕后在300°C至 700°C间退火3(Γ60分钟，最后取出铁电薄膜；用磁控溅射法制备铁电薄膜时基片温度为 300°C至700°C，02气氛下，氧气分压为0. 00广501 ，溅射功率为100W-1500W，沉积完毕后在 300°C至700°C间退火30-60分钟。—种通过铁电极化调控单相铁电薄膜的有效电阻调控方式，使用原子力显微镜或者压电力显微镜，在具有较大电导的单相铁电薄膜上施加大于矫顽场E。的高频电场E来翻转铁电极化，高频电场E的脉冲时间小于10_2秒，根据铁电薄膜的厚度，高频电场E的大小在10千伏每厘米到1000千伏每厘米之间，随后施加低于矫顽场E。的电场E来调控单相铁电薄膜材料的有效电阻。本专利技术与现有技术相比，其显著优点(1)对现有的铁电材料体系，生长由量子隧穿或者半导体掺杂引起较大电导的单相铁电薄膜，这种单相的铁电薄膜同时具备铁电性和半导体性能，打破了以往铁电存储器纯粹利用材料铁电性的局限性，拓宽了铁电材料应用范围。( 使用极化面积小，极化时间短的极化装置，通过施加大于铁电矫顽场E。的高频极化电场E，充分极化具有较大电导的铁电薄膜，提高铁电极化翻转过程中的抗疲劳性能； 并且本专利技术还开创了另一种提高抗疲劳性能的方式，即在-100°C以下的低温下采用高频电场极化铁电薄膜，然后在200°C 70(TC的较高温度下退火30-60分钟让铁电薄膜恢复半导体导电特征，进一步的提高了抗疲劳性能。最终铁电极化翻转次数可以提高到IO2IOltl次。 (3)在相同的小于矫顽场E。的电场E下，制作出来的单相铁电薄膜的有效电阻在铁电极化翻转前后有着剧烈的变化，其比值Y1在广10000倍之间。因此在大于铁电矫顽场E。的外加高频电场下翻转铁电极化，就可以调控这类铁电薄膜的有效电阻。同时由于铁电薄膜的抗疲劳性能的提高，铁电极化翻转Χ=1(Τ101(ι次之后，单次铁电极化翻转前后铁电薄膜有效电阻的比值为Y2, yi/y2>70%,即有效电阻比值的衰减幅度小于30%。(4)利用高频极化电场使单相铁电薄膜中的铁电极化翻转，从而写入“1”和“0”信号、在无外加电场的条件下非挥发性的保存信号、在铁电极化不翻转的条件下通过电流-电场曲线(I一E曲线)读出“1”和 “0” 二进制信号，即制备非挥发性保存、非破坏性读出的、铁电极化调控的信息存储单元。附图说明图1是本专利技术的铁电薄膜以及施加外加电场的宏观结构示意图。图2 是生长在 Pt/Ti02/Si02/Si 上的 Bii^eO3(BFO)和 Bia85Ndai5I^eO3(BNFO)薄膜的 XRD衍射图谱。图3 是生长在 Pt/Ti02/Si02/Si 上的 Bii^eO3(BFO)和 Bia85Ndai5I^eO3(BNFO)薄膜的电滞回线。图4 是为 BiFeO3(200 纳米)/Pt/Ti02/Ti/Si02/Si 薄膜(BFO)和 Bia85Ndai5FeO3 (200 纳米)/Pt/Ti02/Ti/Si02/Si 薄膜(BNFO)漏电流密度 J (A/cm2)和电场强度 E(kV/cm) 之间的关系示意图。图5是为BiaW^llFeCVd (100纳米)薄膜在诱导铁电极化之后的微结构图。图6是为Bia8QiaiFeCVd (100纳米)薄膜在诱导铁电极化之后产生的类二极管4效应。图7是使用原子力显微镜(AFM)在Bia8CEtaiFeCVd _纳米VSrRuO3 (50纳米) /(001)。SrTiO3薄膜上以每秒0. 6V的速度依次施加+10V、_10V、+10V后的电流-电压曲线 (I-V)的线性图和指数图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。实现本专利技术目的的技术解决方案为(1)合成出可以通过铁电极化调控有效电阻的单相铁电薄本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种单相铁电薄膜，其特征在于：包括Ｂ位掺杂的锆钛酸钡Ｂａ１－ｘＳｒｘＴｉ１－ｙＢｙＯ３、铁酸铅Ｐｂ（Ｆｅ１－ｙＢｙ）Ｏ３、钴酸铅Ｐｂ（Ｃｏ１－ｙＢｙ）Ｏ３、锆钛酸铅（Ｐｂ１－ｘＡｘ）（ＺｒｙＴｉ１－ｙ）Ｏ３、Ａ位掺杂的锰酸钇Ｙ１－ｘＡｘＭｎＯ３、铁酸铋Ｂｉ１－ｘＡｘＦｅＯ３、钛酸铋Ｂｉ４－ｘＡｘＴｉ３Ｏ１２，其中０￡ｘ￡０．８，０￡ｙ￡０．８，Ａ为Ｓｒ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｔｂ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｍｇ中的一种或多种金属离子，Ｂ为Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｚｎ中的一种或多种金属离子。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈孝敏，刘璐，袁国亮，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：84
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