本發(fā)明涉及微納結構，具體涉及一種在鐵電薄膜中增強疇壁電流的方法。

背景技術：

1、鐵電體中的疇壁是拓撲缺陷的樞紐，其中帶電疇壁具有類似金屬的導電性。根據(jù)理論預測，當帶電疇壁密度增加時，鐵電體的機電響應會增強。帶電疇壁代表著孤立的導電通道，電流被絕緣的疇限制在納米級的薄片中，其功能性可集成于納米器件中。此外，與傳統(tǒng)的異質界面不同，帶電疇壁可以在電場作用下在電介質內(nèi)部發(fā)生位移，這對未來的電子電路具有重要意義。

2、鐵電材料擁有兩個對稱等效的基態(tài)，每種狀態(tài)都有一個穩(wěn)定的剩余極化，在電場作用下可以被來回翻轉。極化相同的區(qū)域形成疇，極化不同的區(qū)域被疇壁隔開。不帶凈束縛電荷的疇壁稱為中性疇壁(neutral?domain?walls，ndw)，其極化方向在疇壁處頭尾相連而沒有躍變；攜帶束縛電荷的疇壁稱為帶電疇壁(charged?domain?walls，cdw)，由于其極化分量在疇壁處發(fā)生躍遷而違反了靜電相容性條件。帶電疇壁的形成能量很高，因此不利于其在鐵電材料中的自發(fā)存在，這給制備自發(fā)存在帶電疇壁的樣品帶來挑戰(zhàn)。

3、目前，有在強電偏壓下通過相變冷卻材料創(chuàng)建帶電疇壁的先例，但在工作器件中尋求實時可重構性時，這種技術并不可行。還有，利用摻雜或者離子注入的方法控制半導體中的帶電載流子濃度，但是它們在半導體晶體中的位置因制造過程而確定，不能移動。從表征角度看，利用高分辨的掃描透射電鏡能夠觀測到氧空位對帶電疇壁形成的影響，但是這種表征儀器價格昂貴，表征技術難度很高。

技術實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種簡單有效的在鐵電薄膜中實現(xiàn)疇壁電流增強的方法。

2、技術方案：本發(fā)明所述的在鐵電薄膜中增強疇壁電流的方法，包括：

3、s1：通過脈沖激光沉積法，制備包含氧空位的bifeo3薄膜；

4、s2：通過x射線衍射法，獲得薄膜的晶格結構；利用pfm(piezoresponse?forcemicroscopy，壓電力顯微鏡)對薄膜進行表征，獲得其形貌、自發(fā)的疇結構；借助cafm(conductive?atomic?force?microscopy，導電原子力顯微鏡)對薄膜進行表征，觀察是否存在疇壁電流；

5、s3：在pfm探針上施加直流電壓，以相對的方向從兩側向中間掃描薄膜，利用針尖尾部電場在中間區(qū)域形成頭對頭的疇壁；

6、s4：通過cafm表征獲得疇壁電流，從而證明通過構建頭對頭的疇壁是增強疇壁電流的有效方法。

7、進一步地，步驟s1中，包含氧空位的bifeo3薄膜為srtio3(001)/srruo3/bifeo3三明治結構，通過在srtio3(001)表面由脈沖激光沉積法依次沉積srruo3層和bifeo3層制成。

8、進一步地，在srtio3(001)/srruo3/bifeo3三明治結構的沉積過程結束之后，在未通入1個大氣壓的氧氣氛圍的條件下直接降到室溫，以保證薄膜包含氧空位。

9、進一步地，脈沖激光沉積法的參數(shù)為：srruo3層的激光能量56mj，脈沖數(shù)2000，溫度為680℃，氧壓為15pa；bifeo3層的激光能量81mj，脈沖數(shù)2500，溫度為690℃，氧壓為18pa。

10、進一步地，srruo3層的厚度為20～30nm；bifeo3為單晶薄膜，厚度為30～40nm。srruo3、bifeo3厚度適中，這樣更容易進行后續(xù)的針尖電場的寫入操作。

11、進一步地，步驟s2中，pfm和cafm針尖設置pt/ir導電涂層。

12、進一步地，步驟s2中，使用pfm進行表征時，垂直方向的pfm針尖的驅動頻率為0.33～0.36mhz，水平方向pfm的針尖的驅動頻率為0.66～0.77mhz。

13、進一步地，步驟s3中，假設a、b為薄膜中兩塊相鄰的矩形區(qū)域，中間留有縫隙，記為m，縫隙寬度在幾納米到幾十納米之間；第一步掃描方向為從a到m，第二步掃描方向為從b到m，如此，針尖尾部電場將帶電的氧空位以及束縛電荷集中到矩形掃描區(qū)域的邊界處，構建頭對頭的帶電疇壁。

14、進一步地，寫入時，pfm針尖施加的電壓為-6v，慢掃描速度為0.5～0.6μm/s。使用pfm技術對寫入的結果進行表征，除了可以說明極化發(fā)生了翻轉，還同時觀察到形貌幾乎沒有變化，也就是沒有發(fā)生電化學反應，樣品完好。

15、進一步地，步驟s2和s4中，cafm的施加電壓遠小于薄膜的矯頑電壓，以使cafm測量電流的過程中不發(fā)生極化翻轉，保證測得的疇壁電流不包含極化翻轉的貢獻。例如，在cafm測量過程中，施加在針尖的偏置電壓可為+1.0v，遠小于鐵電薄膜的矯頑電壓3v。

16、本發(fā)明的工作原理為：

17、在pfm針尖上施加直流電壓，掃描過程中產(chǎn)生的針尖電場將極化翻轉。過程分兩步掃描，每一步的慢掃描的方向在同一直線上但方向相反，針尖尾部電場可將帶電的氧空位集中至每一步掃描區(qū)域的邊界處，從而構建頭對頭的帶電疇壁。cafm掃描中，針尖偏壓為+1.0v，小于矯頑電壓以保證測得的電流不是極化翻轉產(chǎn)生的電流。

18、有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下顯著優(yōu)點：

19、(1)能夠在8μm2面積內(nèi)通過兩步相反方向的掃描實現(xiàn)頭對頭帶電疇壁的構建，簡單有效；

20、(2)利用電場驅動缺陷離子的移動，為納米鐵電材料中氧空位的研究提供了新思路；

21、(3)構建的帶電疇壁是穩(wěn)定的，其良好的導電性可用于電子器件中的布線，其可移動性在鐵電隨機存取存儲器、柔性電子皮膚等新興、先進的領域具有應用前景。

技術特征：

1.一種在鐵電薄膜中增強疇壁電流的方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的在鐵電薄膜中增強疇壁電流的方法，其特征在于，步驟s1中，包含氧空位的bifeo3薄膜為srtio3(001)/srruo3/bifeo3三明治結構，通過在srtio3(001)表面由脈沖激光沉積法依次沉積srruo3層和bifeo3層制成。

3.根據(jù)權利要求2所述的在鐵電薄膜中增強疇壁電流的方法，其特征在于，在srtio3(001)/srruo3/bifeo3三明治結構的沉積過程結束之后，在未通入1個大氣壓的氧氣氛圍的條件下直接降到室溫，以保證薄膜包含氧空位。

4.根據(jù)權利要求2所述的在鐵電薄膜中增強疇壁電流的方法，其特征在于，脈沖激光沉積法的參數(shù)為：srruo3層的激光能量56mj，脈沖數(shù)2000，溫度為680℃，氧壓為15pa；bifeo3層的激光能量81mj，脈沖數(shù)2500，溫度為690℃，氧壓為18pa。

5.根據(jù)權利要求2所述的在鐵電薄膜中增強疇壁電流的方法，其特征在于，srruo3層的厚度為20～30nm；bifeo3為單晶薄膜，厚度為30～40nm。

6.根據(jù)權利要求1所述的在鐵電薄膜中增強疇壁電流的方法，其特征在于，步驟s2中，pfm和cafm針尖設置pt/ir導電涂層。

7.根據(jù)權利要求1所述的在鐵電薄膜中增強疇壁電流的方法，其特征在于，步驟s2中，使用pfm進行表征時，垂直方向的pfm針尖的驅動頻率為0.33～0.36mhz，水平方向pfm的針尖的驅動頻率為0.66～0.77mhz。

8.根據(jù)權利要求1所述的在鐵電薄膜中增強疇壁電流的方法，其特征在于，步驟s3中，假設a、b為薄膜中兩塊相鄰的矩形區(qū)域，中間留有縫隙，記為m；第一步掃描方向為從a到m，第二步掃描方向為從b到m，如此，針尖尾部電場將帶電的氧空位以及束縛電荷集中到矩形掃描區(qū)域的邊界處，構建頭對頭的帶電疇壁。

9.根據(jù)權利要求8所述的在鐵電薄膜中增強疇壁電流的方法，其特征在于，寫入時，pfm針尖施加的電壓為-6v，慢掃描速度為0.5～0.6μm/s。

10.根據(jù)權利要求1所述的在鐵電薄膜中增強疇壁電流的方法，其特征在于，步驟s2和s4中，cafm的施加電壓遠小于薄膜的矯頑電壓，以使cafm測量電流的過程中不發(fā)生極化翻轉，保證測得的疇壁電流不包含極化翻轉的貢獻。

技術總結
本發(fā)明公開了一種在鐵電薄膜中增強疇壁電流的方法，包括：通過脈沖激光沉積法，制備包含氧空位的BiFeO<subgt;3</subgt;薄膜；通過X射線衍射法，獲得薄膜的晶格結構；利用PFM對薄膜進行表征，獲得其形貌、自發(fā)的疇結構；借助CAFM對薄膜進行表征，觀察是否存在疇壁電流；在PFM探針上施加直流電壓，以相對的方向從兩側向中間掃描薄膜，利用針尖尾部電場在中間區(qū)域形成頭對頭的疇壁；通過CAFM表征獲得疇壁電流，證明通過構建頭對頭的疇壁是增強疇壁電流的有效方法。本發(fā)明利用針尖電場構建頭對頭的帶電疇壁，簡單有效，該種導電通道可用于微電子電路中的布線以及憶阻器等鐵電存儲器件。

技術研發(fā)人員：李慶盛,李忠文,張思義,李夢婷,葛璐,申慧,宋光,張正中,周廣宏
受保護的技術使用者：淮陰工學院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/23