铁电畴阵列结构及其制备方法，及具有该结构的铁电膜

摘要

本发明涉及一种铁电畴阵列结构，其包括：多个铁电畴结构，该多个铁电畴结构具有纳米级直径，且以三角密排方式排布于一铁电超薄膜内。本发明还提供该铁电畴阵列结构的制备方法，其通过向一铁电超薄膜施加一垂直于其表面的预定大小的电场，在该预定大小的外加电场的极化作用下，铁电超薄膜内的铁电畴可自组织生成一铁电畴阵列结构。该铁电畴阵列结构的制作工艺简单，且该铁电畴阵列结构中的铁电畴结构具有纳米级直径。另外，本发明还提供具有上述铁电畴阵列结构的铁电膜。

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种铁电畴阵列结构及其制备方法，以及具有该铁电畴阵列结构的铁电膜。

【背景技术】

铁电材料是一种具有多方向自发极化特性的压电材料。在铁电材料晶胞内的原子，由于不同的堆叠结构(如钙钛矿结构)，使得正负电荷产生相对位移，形成电偶极矩，让晶体在不加外电场时就具有自发极化现象，且自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。铁电晶体内部分成若干个小区域，自发极化方向一致的区域称为铁电畴，简称电畴。畴与畴之间的界面称为畴壁。

目前，铁电材料在纳米结构组装及光子晶体等领域具有较大的潜在应用价值。(1)在纳米结构组装应用领域，其主要是利用带电颗粒对铁电畴极化方向具有选择性的特性。可参见Kalinin等人在文献Nano Lett.，Vol.2，No.6，589-593(2002)，Atomic Polarization and Local Reactivity on FerroelectricSurface：A New Route toward Complex Nanostructure一文，Kalinin等人发现可以利用铁电材料的表面极化特性方便地组装各种纳米结构。(2)在光子晶体应用领域，其主要是利用铁电畴极化的反向会导致非线性光学系数反号的特性。可参见Berger在文献Phys.Rev.Lett.，Vol.81，No.19，4136-4139(1998)，Nonlinear Photonic Crystals一文，Berger将准相位匹配的材料研究从一维扩张到二维，并提出非线性光子晶体概念。

上述应用中，非常关键的一步是生成所需的特定畴结构。目前，常用的生成特定畴结构的方法有化学内扩散(Chemical In-diffusion)，电场极化(Electric-Field Poling)，电子束(Electron Beams)或探针(Probe Tips)直写等方法。然而，上述常用的方法中的化学内扩散、电子束及探针直写法制备纳米级(小于1微米)铁电畴结构的效率低，而电场极化法目前难以制备出纳米级铁电畴结构；因此，其将大大限制铁电材料在纳米结构组装领域的应用。

有鉴于此，有必要提供一种铁电畴阵列结构及其制备方法，以及具有该铁电畴阵列结构的铁电膜，其具有纳米级铁电畴结构，且制作工艺简单。

【发明内容】

下面将以具体实施例说明一种铁电畴阵列结构及其制备方法，以及具有该铁电畴阵列结构的铁电膜，其具有纳米级铁电畴结构，且制作工艺简单。

一种铁电畴阵列结构，其包括：

多个铁电畴结构，该多个铁电畴结构具有纳米级直径，且以三角密排方式排布于一铁电超薄膜内。

及，一种铁电畴阵列结构的制备方法，其包括以下步骤：

提供一预定厚度的铁电超薄膜，其具有一表面；

向该铁电超薄膜施加一垂直于该表面的预定大小的电场，以在该铁电超薄膜内形成一铁电畴阵列结构。

以及，一种铁电膜，其包括一铁电畴阵列结构，该铁电畴阵列结构包括：

多个铁电畴结构，该多个铁电畴结构具有纳米级直径，且以三角密排方式排布。

相较于现有技术，所述铁电畴阵列结构及其制备方法，以及具有该铁电畴阵列结构的铁电膜，其通过向一铁电超薄膜施加一垂直于其表面的预定大小的电场，在该预定大小的外加电场的极化作用下，铁电超薄膜内的铁电畴可自组织生成一铁电畴阵列结构。该铁电畴阵列结构的制作工艺简单，且该电畴阵列结构中的铁电畴结构具有纳米级直径。

【附图说明】

图1是本发明实施例中铁电畴阵列结构的俯视图。

图2是本发明实施例中铁电畴阵列结构的制备方法示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图将对本发明实施例作进一步的详细说明。

参见图1，本发明实施例所提供的铁电畴阵列结构100，其包括多个铁电畴结构120，该多个铁电畴结构120具有纳米级直径(小于1微米)，且以三角密排方式排布一铁电超薄膜10’内。

如图1所示，该铁电超薄膜10’为一锆钛酸铅铁电超薄膜(PbZrTiO₃)，其大小为43×43×4个单位晶胞(Unit Cell)，即其长度与宽度均为43个单位晶胞厚度，其厚度为4个单位晶胞厚度；每个单位晶胞厚度约为0.4纳米。当然，该铁电超薄膜10’也可以为其它材质的铁电超薄膜，如铌酸锂(LiNbO3)、铌酸钾(KNbO3)、镁铌酸铅(PbMgNbO₃)、钽酸锂(LiTaO3)、钽酸钾(KTaO3)、磷酸钛氧钾(KTiOPO₄)、砷酸钛氧钾(KTiOAsO₄)、磷酸钛氧铷(RTiOPO₄)、砷酸钛氧铷(RTiOAsO₄)、钛酸钡(BaTiO3)等，每种铁电超薄膜的单位晶胞的大小可能具有差异。其中，超薄膜是指：在一个方向上有2～100个单位晶胞厚度，在另外两个方向上原子呈周期性排列的薄膜，为一种准二维材料。

该多个铁电畴结构120的表面轮廓均为近似圆形，其厚度与铁电超薄膜10’的厚度相等，也即该铁电畴结构120贯穿于该铁电超薄膜10’。该多个铁电畴结构120具有一致的极化方向，其以三角密排方式排布于铁电超薄膜10’内。

所谓三角密排方式，在理想情况下是指相邻铁电畴120的中心的距离基本相等，如图1中虚线表示的三角形，其为近似等边三角形。该种以三角密排方式排布的铁电畴阵列结构100的晶格常数(Crystal Lattice Constant)等于相邻两个铁电畴结构120的中心的距离，其约为7个单位晶胞厚度，为2.8纳米。其中，铁电畴结构120的最大直径与该晶格常数大小相当。

该铁电畴阵列结构100的晶格常数与铁电超薄膜10’的厚度有关，铁电超薄膜10’的厚度越大，在其内形成的铁电畴阵列结构100的晶格常数越大。对于厚度范围为2～100个单位晶胞厚度的铁电超薄膜，其内可形成的铁电畴阵列结构的晶格常数大小分布范围一般为1～100nm，相应的铁电畴结构的直径大小分布范围为1～100nm。优选的，该铁电畴结构的直径大小均匀。

参见图2，该铁电畴阵列结构100可通过下面描述的制备方法来获取，该制备方法包括以下步骤：

(1)提供一预定厚度的铁电超薄膜10。铁电超薄膜10的形成方法可选用分子束外延生长(Molecule Beam Epitaxy)、转移增强外延生长法(MigrationEnhanced Epitaxy)、化学束外延生长法(Chemical Beam Epitaxy)、有机金属化学气相沉积法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)、有机金属分子束外延生长法(Metal-Organic Molecular Beam Epitaxy)等方法。本实施例采用分子束外延生长法在一基底20的上表面22形成一锆钛酸铅铁电超薄膜10，其分子式为PbZrTiO₃；该铁电超薄膜10的大小为43×43×4个单位晶胞。该基底20的材质选择以其与基底上表面22形成的铁电超薄膜的晶格结构失配率小于2％为佳。该铁电超薄膜10沿[001]晶向方向生长，其在[100]及[010]晶向方向原子有序排列。当然，通过适当控制铁电超薄膜的制备工艺，可使铁电超薄膜沿不同晶向方向生长。

(2)向该铁电超薄膜10施加一垂直于铁电超薄膜表面12的预定大小的电场。对于该预定大小的电场，其大于等于一阈值电场即可。对于厚度为2～100个单位晶胞厚度的铁电超薄膜，对应的阈值电场分布范围为1×10⁷～5×10⁸伏特/米(V/m)。本实施例中，该电场的施加可通过将上述形成在基底20上表面22上的铁电超薄膜10置于一对平板电极30之间，通过一电压源40向该对平板电极30之间施加一电压而实施。该电场的方向基本垂直于该铁电超薄膜10的表面12。当该电压大于等于一阈值(最小值)后，其可产生一形成铁电畴阵列结构所需的电场；在该铁电超薄膜10内，由于上述外加电场的极化作用，其将形成有一铁电畴阵列结构100(如图1所示)，进而可获得如图1所示的铁电超薄膜10’。该铁电超薄膜10’包括多个铁电畴结构120，各个铁电畴结构120具有均一纳米级直径，其以三角密排方式排布于该铁电超薄膜10’内。该铁电畴结构120的极化方向一致，且铁电畴结构120贯穿于该铁电超薄膜10’。

该电压的阈值与铁电超薄膜10的厚度有关。铁电超薄膜10的厚度越大，所需的电压阈值越大。对于厚度为2～100个单位晶胞厚度的铁电超薄膜，其所需电压的阈值分布范围一般为0.1～10伏特(V)，对应产生的电场的大小分布范围可为1×10⁷～5×10⁸V/m。本实施例中，铁电超薄膜10的厚度为4个单位晶胞厚度，所需的电压阈值约为0.2V，其可向铁电超薄膜10施加一垂直于其表面12的约2×10⁸V/m的电场，进而可获取一铁电畴阵列结构100。

对于铁电畴阵列结构100中的铁电畴结构120的直径，其与所施加的电场大小有关。当所施加的电场大于在一预定厚度铁电超薄膜内形成一铁电畴阵列结构所需的电场时，电场越大，铁电畴结构120的直径越小，但铁电畴阵列结构100的晶格常数基本不变。

可以理解的是，通过仅仅向铁电超薄膜施加一预定大小的局部电场，则可在铁电超薄膜的局部形成一铁电畴阵列结构。

本实施例可方便地通过选择合适的铁电超薄膜厚度及向该铁电超薄膜施加的电场的大小，来控制最终所获取的铁电畴阵列结构的晶格常数及铁电畴结构直径；其制作工艺简单。

另外，采用本实施例所提供的铁电畴阵列结构制备方法制备得到的铁电畴阵列结构，其可用于纳米结构组装及光子晶体等领域，以及可作为构建纳米存储器件的模板。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，如适当变更铁电超薄膜的材质及厚度，铁电畴结构的形状，电场的大小，电场的形成方法等设计以用于本发明，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。