[发明专利]一种新型铁电涡旋态纳米岛阵列的制备方法

说明书

一种新型铁电涡旋态纳米岛阵列的制备方法，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；S4：通过电场调控获得涡旋态拓扑畴结构的铁电涡旋态纳米岛阵列。上述方法制得的菱方相BFO纳米岛阵列在外加电场的调控下实现涡旋态拓扑畴结构与普通畴结构的转化，利用其导电性差异实现数据的存储，具有高度的稳定性和良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及铁电材料技术领域，特别是涉及一种新型铁电涡旋态纳米岛阵列的制备方法。

背景技术

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，人们尝试了多种制备铁电拓扑畴的方法，如在薄膜或块体上通过电场诱导获得单个涡旋畴，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；又如在超晶格中形成涡旋畴阵列，但该方法难以调控、工艺复杂、电学性能尚不明确。因此，实现高密度、可调控拓扑畴壁的制备尚存在巨大挑战。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种新型铁电涡旋态纳米岛阵列的制备方法，制得高密度有序排列的涡旋型铁电畴纳米岛阵列。该纳米阵列结构在存储器件上具有明显的优势：具有高密度、高有序性、易于单独调控等，更接近集成器件需求。

本发明所采用的技术方案是：一种新型铁电涡旋态纳米岛阵列的制备方法，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，得到有序的菱方相BFO纳米岛阵列铁电材料；

S4：电场调控：通过压电响应力显微镜(PFM)诱导所述菱方相BFO纳米岛阵列的铁电材料，获得涡旋态拓扑畴结构的铁电涡旋态纳米岛阵列。

相比于现有技术，本发明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，通过外加电场对单个纳米岛进行调控，以控制涡旋畴的有无，从而获得高密度、有序、相互独立的铁电涡旋拓扑畴结构。并以其导电性的差异作为数据存储与读取的基础。另外，该涡旋畴在不做外场调控情况下，四个月后依然能够稳定保持其涡旋结构，具有良好的稳定性。有望应用于设计具有高密度、高稳定性、高响应速度以及低能耗的新型铁电畴壁存储器。

进一步的，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步骤S3获得的铁电材料施加的负向偏压，表征其畴结构；