一种基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件及其制备方法

本申请属于mems器件结构加工制造，尤其涉及一种基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件及其制备方法。

背景技术：

1、随着空间科学和低温超导技术的飞速发展，传统低温(1k-300k)测量技术难以满足当前对低温温度精确测量的需求，特别是深空、航天、国防等高科技领域需要更精确温度测量，迫切需要开发新型高灵敏度、强稳定性低温传感技术。研究材料新物理效应和探索新低温测量原理，目前已成为研究人员开发新型低温传感器、扩展测试温区、提高测试精度及稳定性的主要途径。

2、铁电材料是在一定温度范围内有自发极化现象的一类材料，且自发极化方向可以被外加电场控制，当温度超过铁电材料的居里温度时，材料会从铁电相转为顺电相，失去铁电性能。电畴是指在铁电体中具有相同自发极化方向的区域。畴壁是在外场的作用下使电畴反转而形成的，通常定义为具有不同方向自发极化的两个电畴之间的界面。通常情况下，α＝0°畴壁不导电；当α≠0°，由于束缚电荷形成，带电畴壁引起自由电荷重新分布而具有导电性又称导电畴壁；当α＝90°，带电畴壁的导电性最强。畴壁导电机理研究在实验上主要依赖于畴壁电流在温度场下的变化规律，在理论上采用相场模拟计算畴壁附近载流子浓度和迁移率与温度之间的关系或通过第一性原理计算畴壁及附近材料的能带结构变化。

3、导电畴壁应用于低温传感的最大不足在于的畴壁电流信号比较微弱。目前，主要是通过畴壁电流建立的存储器和逻辑电路解决这一问题，但难以实现导电畴壁束缚电荷分布的精确调控，仍然存在畴壁电流高精度测量的难题。因此，在低温环境中如何大幅度提升畴壁电流，成为低温下高精度温度测量最迫切解决的关键问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提供了一种基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件及其制备方法，可以克服传统热敏电阻遇到各类恶劣环境，难以超低温测量，测量精度低，无法保证使用寿命等问题。

2、本申请的具体技术方案如下：

3、本申请第一方面提供一种基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件的制备方法，包括如下步骤：

4、步骤一：在铌酸锂单晶表面离子注入损伤层并与衬底直接键合，对铌酸锂单晶表面进行减薄抛光，得到铌酸锂单晶薄膜；

5、步骤二：清洗铌酸锂单晶薄膜表面，旋涂掩膜层通过电子束光刻法刻蚀图形后依次生长第一硬掩膜和第二硬掩膜；

6、步骤三：通过紫外线光刻法刻蚀图形后再次生长第一硬掩膜；

7、步骤四：使用离子刻蚀法祛除多余的掩膜层，得到基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件。

8、优选地，在铌酸锂单晶表面离子注入损伤层并与衬底直接键合具体为：所述离子为氦离子，所述衬底为硅衬底。

9、优选地，所述衬底的制备方法为：

10、采用热氧化法或等离子增强化学气相沉积法在硅衬底上生长二氧化硅薄膜，二氧化硅薄膜的厚度为300-500nm。

11、优选地，所述第一硬掩膜为金属cr，所述第二硬掩膜为金属pt。优选地，所述第一硬掩膜和所述第二硬掩膜的图形宽度为50～250nm。优选地，刻蚀所使用的掩膜层为光刻胶，光刻胶的厚度为2～4μm。

12、优选地，生长第二硬掩膜具体为：使用磁控溅射法生长金属层。优选地，生长第一硬掩膜之后生长第二硬掩膜之前还进行：将铌酸锂单晶薄膜浸泡于丙酮中处理。

13、本申请第二方面提供一种基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件，由所述制备方法制备得到。

14、本申请第三方面提供一种低温传感器，包括基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件，所述基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件由所述制备方法制备得到。

15、综上所述，本申请提供了一种基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件及其制备方法，通过在铌酸锂单晶表面离子注入、剥离损伤层并与衬底直接键合得到铌酸锂单晶薄膜，再利用旋涂掩膜层通过光刻和干法刻蚀图形后生长硬掩膜，最终得到基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件。本申请采用微纳加工技术与外场调控相结合方式诱导铁电单晶薄膜凸起结构敏感单元电畴反转，以实现导电畴壁束缚电荷分布的精确调控，形成了尾对尾和头对头的畴壁电流，有效解决了铌酸锂单晶畴壁电流测量时矫顽场过大、电流较小、不良电学接触等问题，制得产物不惧各类恶劣环境、测量精度高，使用寿命长，可以反复测量，具有大量程、高精度、高稳定、高可靠的优点。

技术特征：

1.一种基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件的制备方法，其特征在于，在铌酸锂单晶表面离子注入损伤层并与衬底直接键合具体为：

3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件的制备方法，其特征在于，所述衬底的制备方法为：

4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件的制备方法，其特征在于，所述第一硬掩膜为金属cr，所述第二硬掩膜为金属pt。

5.根据权利要求1所述的基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件的制备方法，其特征在于，所述第一硬掩膜和所述第二硬掩膜的图形宽度为50～250nm。

6.根据权利要求1所述的基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件的制备方法，其特征在于，刻蚀所使用的掩膜层为光刻胶，光刻胶的厚度为2～4μm。

7.根据权利要求1所述的基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件的制备方法，其特征在于，生长第二硬掩膜具体为：使用磁控溅射法生长金属层。

8.根据权利要求1所述的基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件的制备方法，其特征在于，生长第一硬掩膜之后生长第二硬掩膜之前还进行：

9.一种基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件，其特征在于，由权利要求1～8任意一项所述制备方法制备得到。

10.一种低温传感器，其特征在于，包括基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件，所述基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件由权利要求1～8任意一项所述制备方法制备得到。

技术总结本申请提供了一种基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件及其制备方法，通过在铌酸锂单晶表面离子注入、剥离损伤层并与衬底直接键合得到铌酸锂单晶薄膜，再利用旋涂掩膜层通过光刻和干法刻蚀图形后生长硬掩膜，最终得到基于铌酸锂单晶薄膜的畴壁元件。本申请采用微纳加工技术与外场调控相结合方式诱导铁电单晶薄膜凸起结构敏感单元电畴反转，以实现导电畴壁束缚电荷分布的精确调控，形成了尾对尾和头对头的畴壁电流，有效解决了铌酸锂单晶畴壁电流测量时矫顽场过大、电流较小、不良电学接触等问题，制得产物不惧各类恶劣环境、测量精度高，使用寿命长，可以反复测量，具有大量程、高精度、高稳定、高可靠的优点。技术研发人员：耿文平,丑修建,何锦龙,乔骁骏,牛丽雅,侯晓娟,穆继亮,何剑受保护的技术使用者：中北大学技术研发日：技术公布日：2024/1/13