一种柔性铁电纳米岛阵列及其制备方法和应用

本发明涉及纳米铁电材料，特别是涉及一种柔性铁电纳米岛阵列及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着互联网、大数据时代的到来，传统的存储器件难以满足日益增长的存储需要，不断探索新型的存储器件。近年来，存储器经历了由易失性存储器到非易失性存储器再到新型非易失性存储器的演变，其存储性能大大提高。其中，基于铁电材料的存储器件因为具有非易失性、快速读取和写入、低功耗和高擦写次数等优异的特征，得到人们的广泛关注，有望成为新一代存储器件的候选。

2、铁电拓扑畴结构凭借着高稳定性，小尺寸等特点可以更好地满足存储器件小型化的要求。因此，铁电拓扑畴结构被认为是推动铁电信息存储器件的关键因素。而铁电纳米岛因为具有丰富的奇异拓扑畴结构，成为铁电材料的经典制备工艺。因此，纳米尺度的有序高密度铁电纳米岛的制备及其铁电拓扑畴的调控对新型信息存储器件迈入应用具有重要的现实意义。

3、许多科研工作者都致力于探索一种稳定、有序的铁电拓扑畴结构以推动铁电信息存储器件的发展。如在铁电纳米岛上施加电压诱导产生中心型拓扑畴，虽然该方法得到的拓扑畴高度有序，但是难以集成；又如利用衬底转移技术实现pbtio3薄膜的剥离，虽然该方法能精确调控出泡状畴，但是导电性不佳，在器件应用中具有一定的局限性。此外，传统铁电薄膜及纳米岛多使用硬质衬底，限制了应用的范畴。因此，制备出一种调控方便、可集成的柔性铁电纳米岛阵列有望为多功能氧化物薄膜材料在柔性电子学器件领域的应用前景奠定基础。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的在于，提供一种柔性铁电纳米岛阵列及其制备方法和应用，其通过衬底转移技术来实现铁电纳米岛阵列的剥离工艺，并由于剥离过程中铁电层的应力释放作用，诱导出大面积的铁电拓扑畴结构，使得剥离后得到的铁电纳米岛阵列具有柔性，而且拓扑畴更加丰富，性能表现更加优异。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种柔性铁电纳米岛阵列的制备方法，包括以下步骤：

4、在(001)方向的srtio3单晶衬底上沉积sr2caal2o6薄膜作为牺牲层；

5、然后在牺牲层上沉积srruo3导电层作为底电极；

6、在底电极上沉积菱方相的bfo薄膜；

7、采用聚苯乙烯小球掩模板法制得bfo纳米岛阵列；

8、将牺牲层溶解后转移至柔性衬底上，即得柔性bfo纳米岛阵列。

9、相比于现有技术，本发明通过在铁电层和衬底之间生长一层牺牲层，利用牺牲层可溶解于水的特性，将铁电层从原衬底上剥离出来，然后重新转移到柔性衬底上，由于剥离过程中铁电层的应力释放作用，诱导出大面积的铁电拓扑畴结构。该方法制备的高密度有序排列的铁电拓扑畴在铁电存储器件上具有明显的优势，剥离后得到的铁电纳米岛阵列具有柔性，而且拓扑畴更加丰富，性能表现更加优异。

10、在优选的实施方式中，牺牲层厚度为20～40nm。该厚度的牺牲层具有足够的膜层厚度的同时，也有利于后续溶解步骤的进行。

11、在优选的实施方式中，牺牲层通过脉冲激光沉积技术沉积而成，实验条件为：脉冲能量为52～56mj，脉冲频率为1～8hz，外延温度为775～785℃，氧压为4～10pa。在上述实验条件下，可以沉积得到厚度均匀、表面平整且易于溶解的牺牲层。

12、在优选的实施方式中，牺牲层通过浸泡于去离子水中溶解。利用该牺牲层材料(sr2caal2o6)可溶于水的特性，可以方便地通过将样品浸泡于去离子水中溶解牺牲层，从而将铁电层从原衬底上剥离出来。

13、在优选的实施方式中，牺牲层在去离子水中浸泡10～24h后溶解，然后用柔性衬底将漂浮的薄膜捞起，即得柔性bfo纳米岛阵列。由于牺牲层厚度控制在合适尺寸范围，因此溶解时间较短，在10～24h后即可完全溶解。溶解后可以用常见的柔性衬底(如云母片或者硅基半导体衬底)将漂浮在去离子水表面上的薄膜捞起，即可得到柔性bfo纳米岛阵列。

14、在优选的实施方式中，底电极的厚度为6～20nm；底电极通过脉冲激光沉积技术沉积而成，实验条件为：脉冲能量为70～90mj，脉冲频率为8hz，外延温度为660～720℃，氧压为15pa。该实验条件下可以制得均匀平整的底电极。

15、在优选的实施方式中，bfo薄膜厚度为20～50nm；bfo薄膜通过脉冲激光沉积技术在底电极上外延生长而成，实验条件为：脉冲能量为53～56mj，脉冲频率为8hz，外延温度为710～730℃，氧压为15～20pa。该方法和实验条件下生长而成的bfo薄膜外延性好，表面干净平整，厚度均匀，同时具有较好的铁电性。

16、在优选的实施方式中，bfo纳米岛阵列采用以下步骤制得：用水溶液法在bfo薄膜上铺展单层500nm的单层密堆排列的聚苯乙烯小球模板，干燥后形成掩模板；然后通过在氧氛围且55～80w功率条件下氧等离子体处理样品，使得ps小球的直径从初始的500nm变为大约450nm，得到彼此分离的ps小球模板；再对样品进行氩离子束刻蚀，将未被ps小球遮挡的部分刻蚀掉；最后超声清洗去除ps小球模板后，即得到排列有序的bfo纳米岛阵列。该方法可以方便地得到高质量的bfo纳米岛阵列。

17、第二方面，本发明还提供一种采用如上述任一种实施方式的方法制备而成的柔性铁电纳米岛阵列，其为铁电信息存储器件提供了更多可能，展示了在柔性可穿戴电子器件方面的巨大潜力。

18、第三方面，本发明还提供了上述柔性铁电纳米岛阵列在柔性电子器件中的应用。

19、相比于现有技术，本发明通过在铁电层和衬底之间先生长一层牺牲层，再利用牺牲层可溶解于水的特性，将铁电层从原衬底上剥离出来，然后重新转移到柔性衬底上，由于剥离过程中铁电层的应力释放作用，可以诱导出大面积的铁电拓扑畴结构。该方法制备的高密度有序排列的铁电拓扑畴在铁电存储器件上具有明显的优势，并且适用于多种铁电材料，甚至是多功能氧化物薄膜，具有重大的现实意义。该方法剥离后得到的铁电纳米岛阵列具有柔性，而且拓扑畴更加丰富，性能表现更加优异，且在柔性电子器件的应用上具有巨大的潜力。

20、为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

技术特征：

1.一种柔性铁电纳米岛阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述牺牲层厚度为20～40nm。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述牺牲层通过脉冲激光沉积技术沉积而成，实验条件为：脉冲能量为52～56mj，脉冲频率为1～8hz，外延温度为775～785℃，氧压为4～10pa。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述牺牲层通过浸泡于去离子水中溶解。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述牺牲层在去离子水中浸泡10～24h后溶解，然后用柔性衬底将漂浮的薄膜捞起，即得柔性bfo纳米岛阵列。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述底电极的厚度为6～20nm；所述底电极通过脉冲激光沉积技术沉积而成，实验条件为：脉冲能量为70～90mj，脉冲频率为8hz，外延温度为660～720℃，氧压为15pa。

7.根据权利要求1所述的柔性铁电纳米岛阵列的制备方法，其特征在于：所述bfo薄膜厚度为20～50nm；所述bfo薄膜通过脉冲激光沉积技术在所述底电极上外延生长而成，实验条件为：脉冲能量为53～56mj，脉冲频率为8hz，外延温度为710～730℃，氧压为15～20pa。

8.根据权利要求1所述的柔性铁电纳米岛阵列的制备方法，其特征在于：bfo纳米岛阵列采用以下步骤制得：用水溶液法在bfo薄膜上铺展单层500nm的单层密堆排列聚苯乙烯小球模板，干燥后形成掩模板；然后通过在氧氛围且55～80w功率条件下氧等离子体处理样品，使得ps小球的直径从初始的500nm变为大约450nm，得到彼此分离的ps小球模板；再对样品进行氩离子束刻蚀，将未被ps小球遮挡的部分刻蚀掉；最后超声清洗去除ps小球模板后，即得到排列有序的bfo纳米岛阵列。

9.一种柔性铁电纳米岛阵列，其特征在于：采用如权利要求1～8任一项所述的制备方法制备而成。

10.如权利要求9所述的柔性铁电纳米岛阵列在柔性电子器件中的应用。

技术总结本发明涉及一种柔性铁电纳米岛阵列及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：在(001)方向的SrTiO<subgt;3</subgt;单晶衬底上沉积Sr<subgt;2</subgt;CaAl<subgt;2</subgt;O<subgt;6</subgt;薄膜作为牺牲层；然后在牺牲层上沉积SrRuO<subgt;3</subgt;导电层作为底电极；在底电极上沉积菱方相的BFO薄膜；采用聚苯乙烯小球掩模板法制得BFO纳米岛阵列；将牺牲层溶解后转移至柔性衬底上，即得柔性BFO纳米岛阵列。本发明通过在铁电层和衬底之间生长一层牺牲层，利用牺牲层可溶解于水的特性，将铁电层从原衬底上剥离出来，然后重新转移到柔性衬底上，由于剥离过程中铁电层的应力释放作用，诱导出大面积的铁电拓扑畴结构。剥离后得到的铁电纳米岛阵列具有柔性，而且拓扑畴更加丰富，性能表现更加优异。技术研发人员：田国,金军,高兴森受保护的技术使用者：华南师范大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2