[发明专利]用于超高密度探针存储的多层相变薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于超高密度探针存储的多层相变薄膜及其制备方法，更确切的说是一种以硫系玻璃相变材料为核心的多层纳米薄膜及制备方法，属于纳米薄膜材料领域。

背景技术

信息化时代随着计算机技术的普及，互联网的高速发展，高清影视的出现，各种信息呈爆炸式的增加，人们迫切希望有更高存储密度、更大存储容量、更快存取速度的数据存储器出现。用作存储数据的信息点尺寸大小，是影响存储密度的最直接因素，因此如果一个数据信息位能够用几个原子来记录，则数据存储的密度将能够达到1TB/in²（1TB=1024GB），实现超高密度数据存储。由于采用扫描探针显微技术（Scanning Probe Microscope，SPM）能够直接对单原子进行操作，因此应用扫描探针施加局域的电、磁、光、热等作用，通过改变材料的局域形貌、电、磁、光等特性，可以将扫描探针高分辨特性转化为信息的超高密度存储。

作为超高密度数据存储介质的纳米薄膜材料，是影响存储密度、存储速度和存储寿命的主要因素之一。硫系相变薄膜材料在晶态和非晶态时其电导率具有四个数量级以上的差异，用这种差异分别表示数字信息的“0”和“1”，从而实现数据的存储。图1为H.Satoh(JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,2006, 99:024306)利用原子力显微镜（Atomic Force Microscope ,AFM）实现相变存储的原理图：制备在基片4上的多层薄膜的相变层2初始时为晶态薄膜，信息写入时，在AFM导电探针1与电极层3之间施加一个纳秒（ns）级的短而强的电脉冲，电流经由电极层3流出，电流引起的焦耳热效应使温度超过相变材料熔点，随后急剧冷却，导致针尖与薄膜接触部位来不及结晶从而转换成非晶态的信息记录点；信息擦除时，在AFM导电探针1上施加一个宽而强度低一些的电脉冲，焦耳热效应作用导致信息记录点温度升高，超过晶化温度，但低于熔点，只要电脉冲施加的时间足够，就会使非晶态结晶成晶态，从而实现信息的擦除；信息读取时，在探针上施加一个强度较弱的脉冲，使其产生的热量不至于超过结晶温度，以免引起材料的相变，随后导电探针1开始扫描，电流通过电极层3与外界电流电压转换模块相连后转接回显微镜形成回路，当导电探针1和信息记录点(非晶态)接触时，其电阻值将显著提高，通过检测电流的变化，实现信息的读取。

Tanaka(Journal of Non-Crystalline Solids,2007,353(18-21):1899-1903)等人已经用实验证明，AFM比扫描隧道显微镜（Scanning Tunnel  Microscope，STM）更适合用于高密度相变存储，并已经在硫系薄膜上获得了直径10-70纳米的信息记录点，实现了1TB/in²以上的超高密度数据存储。在图1中，采用了铂（Pt）金属作为电极层3，这种材料价格昂贵，不适合大批量应用；更重要的是，该方案中数据的存储、擦除、读取过程都是利用探针针尖直接在相变层2的薄膜表面实现的，相变材料直接暴露在空气中，极易氧化，且针尖在扫描过程中与薄膜表面直接接触，造成针尖和薄膜的磨损，不但严重影响探针和存储介质的寿命，还会因为针尖磨损后直径增加，大大降低存储密度。图1所示的结构在制备时，其电极层3和相变层2是分别在不同磁控溅射台（PVD）内制备，其缺陷是：获得的薄膜粗糙度较高，形成的纳米颗粒较大，导致存储密度降低；而且在制备过程中样品从一个溅射台转移到另一个溅射台，容易氧化，影响导电性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种采用较低价格的金属材料做电极层、能够有效保护相变存储材料不受氧化且具有良好抗磨损性能的、以硫系玻璃相变材料为核心的用于超高密度探针存储的多层相变薄膜；本发明同时还提供该多层相变薄膜的制备方法，可以有效避免导电层氧化，提高存储密度和制备效率。

为实现上述目的，本发明的用于超高密度探针存储的多层相变薄膜采用的技术方案是：该多层纳米薄膜的顶层是保护层、底层是电极层、中间层是相变层；电极层是厚度为10-15nm、铜和钨重量比为15:85的铜钨合金薄膜，相变层是厚度为25-45nm的碲基合金薄膜，保护层是厚度为8-12nm的类金刚石膜。