[发明专利]一种铁电纳米点阵列中导电性调控的表征方法

说明书

本发明公开了一种铁电纳米点阵列中导电性调控的表征方法，属于纳米铁电材料制备和微纳表征技术领域，通过离子束刻蚀铁电薄膜获得高密度纳米点阵列；借助于矢量压电力显微术表征获得铁电拓扑畴的畴结构；使用导电原子力显微镜观测到纳米点中的导电通道，二维电流图像表明单个纳米点中的导电区域为几十纳米，这些导电通道具有类似于金属导电的特性；联合压电力显微镜和导电原子力显微镜获得极化对导电性的调控；可用于开发非易失性的、高密度的铁电随机存取存储器；纳米点的中心型畴结构为研究铁电拓扑畴及拓扑材料提供方案；同时，纳米点的导电性可以通过极化翻转进行调控，提供的表征方法可以将这种调控可视化，提升数据的直观性、可靠性。

技术领域

本发明属于纳米铁电材料制备和微纳表征技术领域，具体涉及一种铁电纳米点阵列中导电性调控的表征方法。

背景技术

随着互联网、大数据的快速发展，基于铁电材料的存储器件因为具有非易失性、高速、低功耗、高擦写次数等特征，成为新一代存储器件的候选。

目前市场对存储器件的存储密度、集成度、小型化要求不断提高，集成于其中的铁电体的厚度、维度不断降低，在纳米尺度将铁电材料的性能可视化面临困难。而在导电性方面，铁电畴壁的导电增强、光伏效应为铁电材料带来丰富物理的同时，也对纳米铁电制备、表征提出了新要求；阻变存储器利用了极化反转改变导电性，但是大部分相关文献都是给出I-V曲线，测量过程中伴有很多随机性因素，因此可靠性程度不高，也不及二维图像的可视化程度高。

新型纳米铁电材料制备、表征方法的研究，有利于铁电材料的器件开发与检测，为准确解释实验现象提供数据支撑，为研发新型表征技术提供思路。

将铁电材料中极化对导电性的调控进行可视化表征的研究层出不穷，包括在畴壁静态导电的基础上研究动态导电特性，在异质界面处探测二维电子气，变换电容器结构中的铁电介电层、上下电极以研究阻变特性，但是在数据可视化方面各自有其局限性。其中，铁酸铋(BiFeO₃，简写为BFO)这种材料不含铅，是一种绿色环境友好型的材料；其居里温度为830℃，(111)方向的剩余极化值为100μC/cm²，是很好的铁电或压电材料；它是第一个在其薄膜中发现畴壁导电的材料，蕴含丰富的物理。

目前，表征BFO纳米结构中极化对导电性调控的研究大多基于薄膜材料，聚焦于利用I-V曲线研究阻变、光伏等，更小尺寸、更低维度的材料制备、电流二维成像的表征是其用于高密度存储器件的技术瓶颈。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种铁电纳米点阵列中导电性调控的表征方法，为基于铁电材料的器件开发与检测提供思路。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铁电纳米点阵列中导电性调控的表征方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：使用离子束刻蚀(ion beam etching，IBE)方法刻蚀BFO薄膜膜，获得(100Gbit)高密度BFO铁电纳米点阵列；

S2：采用压电力显微镜(piezoresponse force microscopy，PFM)对高密度BFO铁电纳米点阵列表征，获得初始状态下纳米点的畴结构；

S3：采用导电原子力显微镜(conductive atomic force microscopy，CAFM)对高密度BFO铁电纳米点阵列表征，获得初始状态下纳米点的导电特性；

S4：联合PFM与CAFM对高密度BFO铁电纳米点阵列进行表征，获得纳米点阵列的极化翻转前后的导电性特征，将极化对导电性的调控可视化。