本發(fā)明涉及氧化物薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種用液體大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化的裝置及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

鐵電薄膜是一定的溫度范圍內(nèi)，具有自發(fā)極化，且其自發(fā)極化方向可以隨外電場方向的反向而反向的晶體薄膜。且因其具有良好的鐵電性、壓電性、熱釋電性、電光及非線性光學(xué)特性，在微電子學(xué)、光電子學(xué)、集成光學(xué)和微電子機(jī)械系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，成為目前國際上新型功能材料研究的熱點之一。鐵電存儲技術(shù)是當(dāng)前最有前景且先進(jìn)的非易失性內(nèi)存技術(shù)。它與其他非易失性存儲器相比具有高讀寫速度、低能耗、高耐力和可伸縮性的優(yōu)點。鐵電存儲技術(shù)是基于它的極化反轉(zhuǎn)特性，例如鐵電隨機(jī)存取儲存器(FeRAM)，它的工作原理就是通過鐵電極化用二進(jìn)制“0”和“1”進(jìn)行編碼達(dá)到存儲信息的作用。

鐵電薄膜在工業(yè)催化、微流系統(tǒng)、藥物傳輸系統(tǒng)研究和環(huán)境保護(hù)污水處理等領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用前景。例如，2012年Robert Ferris等人提出可以利用鐵電薄膜在液體中實現(xiàn)藥物輸運的概念。由于裝載藥物受到不同的極化方向的靜電力的不同，有不同的分解速率，可以制作成自主的獨立的器件來實現(xiàn)控制和釋放藥物；鐵電薄膜還可以促進(jìn)污水的處理，利用鐵電薄膜表面帶電的性質(zhì)可以促進(jìn)對污水中的帶電雜質(zhì)的吸附，而且當(dāng)吸附的雜質(zhì)達(dá)到飽和時可以通過翻轉(zhuǎn)鐵電極化，“排出雜質(zhì)”，實現(xiàn)重復(fù)使用；因此大面積處理、反轉(zhuǎn)鐵電薄膜的極化方向，成為鐵電材料廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

目前大面積反轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化的方法主要是在鐵電薄膜表面鍍金屬電極，外加電壓反轉(zhuǎn)鐵電極化。但在薄膜表面鍍金屬電極破壞了鐵電薄膜的表面結(jié)構(gòu)，不利于鐵電薄膜的功能表達(dá)實現(xiàn)，阻礙鐵電薄膜的廣泛應(yīng)用。而且鐵電薄膜表面結(jié)構(gòu)不可避免的存在晶體缺陷，在表面鍍電極加電會出現(xiàn)嚴(yán)重的漏電行為，無法實現(xiàn)大面積的整個鐵電薄膜極化的翻轉(zhuǎn)。因此，如何實現(xiàn)大面積的翻轉(zhuǎn)鐵電極化、且不會破壞鐵電薄膜表面結(jié)構(gòu)也是人們目前一直以來研究的一個重點。

因此，本發(fā)明提供了一種用液體大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化的裝置及其應(yīng)用。本發(fā)明的裝置可以大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化，且不會破壞鐵電薄膜表面結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的在于提供一種用液體大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化的裝置。本裝置實現(xiàn)了大面積的鐵電薄膜極化的全部來回翻轉(zhuǎn)，且翻轉(zhuǎn)過程不會破壞鐵電薄膜表面結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的第二個目的在于提供一種用液體大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化的裝置的應(yīng)用。

為達(dá)到上述第一個目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種用液體大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化的裝置，包括信號發(fā)生器、對電極、襯底、形成在襯底上的底電極、形成在底電極上的鐵電薄膜、容器和液體；所述對電極、襯底、底電極和鐵電薄膜均放置在容器內(nèi)的液體中；所述底電極通過導(dǎo)線接地，所述底電極與導(dǎo)線連接處不與液體接觸；所述對電極通過導(dǎo)線連接信號發(fā)生器；所述信號發(fā)生器置于容器外。本發(fā)明中信號發(fā)生器產(chǎn)生與鐵電薄膜極化方向相反的外加電壓，對電極與形成在襯底上的底電極用于產(chǎn)生與鐵電薄膜極化相反的電場，液體用于產(chǎn)生集聚在鐵電薄膜表面形成與極化方向相反的電場的正負(fù)電荷。

優(yōu)選地，所述液體為去離子水，去除其他雜質(zhì)離子，減少污染。

優(yōu)選地，所述鐵電薄膜的制備方法為脈沖激光沉積方法，采用該方法可以生長高質(zhì)量的在襯底上外延的單晶鐵電薄膜及異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述對電極為金屬電極，所述金屬電極為銅電極，銅金屬化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與水發(fā)生反應(yīng)，且成本低廉。

優(yōu)選地，所述鐵電薄膜為鐵酸鉍(BFO)，鋯鈦酸鉛(PZT)，鈦酸鋇(BTO)，鋰酸鈮(LNO)，鉭鈮酸鉀(KTN)，鈦酸鉛(PTO)或鉭酸鍶鉍(SBT)。由于BFO及PZT應(yīng)用較為廣泛且其矯頑場較小，易于加電實現(xiàn)鐵電極化翻轉(zhuǎn)。因此，本發(fā)明主要使用的鐵電薄膜主要為BFO及PZT。

優(yōu)選地，所述底電極為鑭鍶錳氧(LSMO)，釕酸鍶(SRO)或鎳酸鑭(LNO)。由于BFO，PZT長在LSMO底電極上時，由于內(nèi)建電場，會使BFO或PZT整個薄膜在面外極化方向統(tǒng)一為向外或向內(nèi)，因此，本發(fā)明主要使用的底電極主要為LSMO。

優(yōu)選地，所述襯底為鈦酸鍶(STO)或鋁酸鑭(LAO)。由于BFO，PZT的晶格常數(shù)與STO的最匹配，用脈沖激光沉積法在STO上生長的BFO及PZT鐵電薄膜質(zhì)量更好，且在外加電場下極化更易翻轉(zhuǎn)。因此，本發(fā)明使用的襯底主要為鈦酸鍶。

優(yōu)選地，所述底電極用銀膠與導(dǎo)線相連。用銀膠將底電極與導(dǎo)線相連可以使底電極與導(dǎo)線接通不會斷路。

為達(dá)到上述第二個目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種用液體大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化的裝置的應(yīng)用，包括如下步驟：

1)將對電極、襯底、底電極和鐵電薄膜均放置在液體中；

2)用信號發(fā)生器向?qū)﹄姌O施加與鐵電薄膜面外極化方向相反的電壓；

3)結(jié)束加電，停止信號發(fā)生器上的電壓輸出，取出鐵電薄膜并吹干。

優(yōu)選地，步驟1)中先將底電極通過導(dǎo)線接地，再將對電極、襯底、底電極和鐵電薄膜放置在液體中。

優(yōu)選地，步驟2)中所加電壓為大小0-15V，頻率1kHZ-10MHZ的脈沖電壓，施加時間為1-5分鐘。電壓大小比鐵電材料的矯頑場大，且頻率越大鐵電薄膜極化翻轉(zhuǎn)效率越高，需要的時間越短。

本發(fā)明的翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)處理過程簡便，僅需1-5分鐘即可翻轉(zhuǎn)，易于實現(xiàn)，且成本低廉，便于工業(yè)的廣泛應(yīng)用。

本發(fā)明的有益效果如下：

1)本發(fā)明中信號發(fā)生器產(chǎn)生與鐵電薄膜極化方向相反的外加電壓，對電極與形成在襯底上的底電極用于產(chǎn)生與鐵電薄膜極化相反的電場，液體產(chǎn)生集聚在鐵電薄膜表面形成與極化方向相反的電場的正負(fù)電荷，實現(xiàn)了大面積的鐵電薄膜極化的全部來回翻轉(zhuǎn)，且翻轉(zhuǎn)過程不會破壞鐵電薄膜表面結(jié)構(gòu)。

2)本發(fā)明中液體為去離子水，去除其他雜質(zhì)離子，減少污染；鐵電薄膜采用脈沖激光沉積方法制備，可以生長高質(zhì)量的在襯底上外延的單晶鐵電薄膜及異質(zhì)結(jié)構(gòu)；對電極為為銅電極，銅金屬化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與水發(fā)生反應(yīng)，且成本低廉。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1示出本發(fā)明實施例1中一種用液體大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化的裝置示意圖。

圖2示出本發(fā)明實施例1中利用壓電力顯微鏡(PFM)測試加電翻轉(zhuǎn)前BFO薄膜的形貌圖(a)、面內(nèi)極化圖(b)及面外極化圖(c)。

圖3示出本發(fā)明實施例1中加電翻轉(zhuǎn)后鐵電薄膜上的測試點位置A，及另外隨機(jī)取的4個點的位置B-E。

圖4示出本發(fā)明實施例1中利用壓電力顯微鏡(PFM)測試得到的加電翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化后的位置A處的形貌圖(a)及面外極化圖(b)。

圖5示出本發(fā)明實施例1中利用壓電力顯微鏡(PFM)測試得到的加電翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化后的位置B的形貌圖(a)及面外極化圖(b)，位置C的形貌圖(c)及面外極化圖(d)，位置D的形貌圖(e)及面外極化圖(f)，和位置E的形貌圖(g)及面外極化圖(h)。

圖6示出本發(fā)明實施例2中利用壓電力顯微鏡(PFM)測試得到的加電翻轉(zhuǎn)前鐵電薄膜的形貌圖(a)及面外極化圖(b)。

圖7示出本發(fā)明實施例2中利用壓電力顯微鏡(PFM)測試得到的加電翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化后的形貌圖(a)及面外極化圖(b)。

圖8示出本發(fā)明實施例2中利用壓電力顯微鏡(PFM)測試得到的將鐵電薄膜極化翻轉(zhuǎn)回原始狀態(tài)的形貌圖(a)及面外極化圖(b)。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上；術(shù)語“上”、“下”、“左”、“右”、“內(nèi)”、“外”、“前端”、“后端”、“頭部”、“尾部”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

實施例1

一種用液體大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化的裝置，如圖1所示，包括信號發(fā)生器1、對電極2、襯底3、形成在襯底上的底電極4、形成在底電極上的鐵電薄膜5，去離子水6和容器7。

所述對電極2、襯底3、底電極4和鐵電薄膜5均放置在容器7內(nèi)的去離子水6中；所述底電極4通過導(dǎo)線接地，所述底電極4和導(dǎo)線的連接處不與去離子水接觸；所述對電極2通過導(dǎo)線連接信號發(fā)生器1；信號發(fā)生器1置于容器7外。

實施例2

采用實施例1中所述裝置進(jìn)行大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化，該裝置中對電極為金屬電極，鐵電薄膜為鐵酸鉍(BFO)，底電極為鑭鍶錳氧(LSMO)，襯底為鈦酸鍶(STO)，包括如下步驟：

1)利用原子力顯微鏡測試原始狀態(tài)鐵電薄膜的極化狀態(tài)PFM圖。

2)將底電極引出，用銀膠與導(dǎo)線相連并接地，再將樣品置于去離子水中，注意將底電極用銀膠與導(dǎo)線連接處置于去離子水之外，不與去離子水接觸。

3)用信號發(fā)生器向?qū)﹄姌O施加脈沖電壓信號，形成與鐵電薄膜面外極化方向相反的電場；所加電壓大小為15V，頻率為10MHZ的脈沖電壓，共3分鐘。

4)結(jié)束加電，停止信號發(fā)生器上的電壓輸出，取出鐵電薄膜并吹干。

利用壓電力顯微鏡(PFM)進(jìn)行測試，如圖2-5所示。由于受到內(nèi)建電場的影響，BFO-LSMO-STO樣品的初始極化面外方向均朝上。在BFO薄膜樣品中心任意找一區(qū)域圖(3中位置A)測試BFO原始的極化狀態(tài)(圖2)，面外極化朝上，在水中加電翻轉(zhuǎn)后，找到A位置測量極化狀態(tài)，面外極化朝內(nèi)(圖4)，確定BFO極化翻轉(zhuǎn)，且形貌不變。為了確保整個BFO薄膜樣品的極化均翻轉(zhuǎn)，在樣品除中心區(qū)域外，左上、右上、左下、右下區(qū)域內(nèi)分別任意找位置B、C、D、E點，測量面外極化狀態(tài)均為白色，極化向下(圖5)。說明整個BFO薄膜的極化均翻轉(zhuǎn)了，可以實現(xiàn)大面積鐵電極化翻轉(zhuǎn)，且形貌無明顯變化，說明樣品表面結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化。因此，利用本發(fā)明方法可以實現(xiàn)不破壞薄膜表面結(jié)構(gòu)且大面積的翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化。

實施例3

采用實施例1中所述裝置進(jìn)行大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化，該裝置中對電極為金屬電極，鐵電薄膜為鋯鈦酸鉛(PZT)，底電極為釕酸鍶(SRO)，襯底為鈦酸鍶(STO)，步驟同實施例2，不同之處在于：

步驟3)中所加電壓為大小10V，頻率1KHZ的脈沖電壓，共5分鐘。

利用壓電力顯微鏡(PFM)進(jìn)行測試，如圖6-7所示。由于受到內(nèi)建電場的影響，PZT-SRO-STO樣品的初始極化面外方向均朝上。在PZT薄膜樣品中心任意找一區(qū)域圖測試PZT原始的極化狀態(tài)(圖6)，面外為黑色，極化朝上。在水中加電翻轉(zhuǎn)后，找到原始測量位置測量極化狀態(tài)，面外為白色，極化朝下(圖7)，確定PZT極化翻轉(zhuǎn)，且形貌不變。利用本發(fā)明方法可以實現(xiàn)原始PZT薄膜的面外極化方向朝外(PFM圖為黑色)翻轉(zhuǎn)為向內(nèi)(PFM圖為白色)，可以實現(xiàn)大面積鐵電極化翻轉(zhuǎn)，且翻轉(zhuǎn)前后PZT樣品薄膜的形貌沒有發(fā)生變化。利用本發(fā)明方法可以實現(xiàn)不破壞薄膜表面結(jié)構(gòu)且大面積的翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化。

實施例4

采用實施例3中所述裝置進(jìn)行大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化，步驟同實施例3，不同之處在于：

步驟3)中所加電壓為-7V，頻率5MHZ的脈沖電壓，共1分鐘。

通過施加與實施例3)中方向相反的電壓，可以將加電翻轉(zhuǎn)后的樣品再翻轉(zhuǎn)為原始狀態(tài)，且不改變鐵電薄膜的形態(tài)，利用壓電力顯微鏡(PFM)進(jìn)行測試，如圖8所示。在實施例3加電翻轉(zhuǎn)后的樣品上進(jìn)行上述實施步驟后，找到之前測試的位置，測量面外極化為黑色，極化朝上。利用本發(fā)明方法可以實現(xiàn)原始PZT薄膜的大面積鐵電極化來回翻轉(zhuǎn)，且翻轉(zhuǎn)前后PZT樣品薄膜的形貌沒有發(fā)生變化。利用本發(fā)明方法可以實現(xiàn)不破壞薄膜表面結(jié)構(gòu)且大面積的翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化。

對比例1

采用實施例1中所述裝置進(jìn)行大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化，不同之處在于所用液體為自來水，其他步驟同實施例2。

最終結(jié)果表明：不采用去離子水，會造成雜質(zhì)離子的產(chǎn)生，鐵電薄膜樣品表面會吸附許多雜質(zhì)，破壞樣品表面結(jié)構(gòu)。

對比例2

采用實施例1中所述裝置進(jìn)行大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化，不同之處在于不采用襯底和底電極，直接將鐵電薄膜通過導(dǎo)線接地，其他步驟同實施例2。

最終結(jié)果表明：不采用襯底和底電極，會造成電場無法加在鐵電薄膜樣品上，鐵電極化無法翻轉(zhuǎn)。

對比例3

采用實施例1中所述裝置進(jìn)行大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化，不同之處在于所述底電極用普通膠水與導(dǎo)線相連，其他步驟同實施例2。

最終結(jié)果表明：不采用銀膠，會造成樣品無法接地，電場無法加在鐵電薄膜樣品上，鐵電極化無法翻轉(zhuǎn)。

對比例4

采用實施例1中所述裝置進(jìn)行大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化，步驟同實施例2，不同之處在于：

步驟2)中底電極用銀膠與導(dǎo)線連接處與去離子水接觸。

最終結(jié)果表明：造成電場無法加在鐵電薄膜樣品上，鐵電極化無法翻轉(zhuǎn)。

對比例5

采用實施例1中所述裝置進(jìn)行大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化，步驟同實施例2，不同之處在于：

步驟3)中采用的并非脈沖電壓。

最終結(jié)果表明：造成鐵電薄膜的鐵電極化部分翻轉(zhuǎn)，無法實現(xiàn)全部翻轉(zhuǎn)。

對比例6

采用實施例1中所述裝置進(jìn)行大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化，步驟同實施例2，不同之處在于：

步驟3)中采用的電壓為30V。

最終結(jié)果表明：電壓過高，易造成鐵電薄膜的燒壞。

對比例7

采用實施例1中所述裝置進(jìn)行大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化，步驟同實施例2，不同之處在于：

步驟3)中采用的電壓頻率為20MHZ。

最終結(jié)果表明：電壓頻率過高，易造成鐵電薄膜的燒壞。

對比例8

采用實施例1中所述裝置進(jìn)行大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化，步驟同實施例2，不同之處在于：

步驟3)中采用的電壓頻率為5HZ。

最終結(jié)果表明：電壓頻率過低，易造成需翻轉(zhuǎn)的時間較長，需20分鐘。

對比例9

采用實施例1中所述裝置進(jìn)行大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化，步驟同實施例2，不同之處在于：

步驟3)中電壓施加的時間為30s。

最終結(jié)果表明：電壓施加的時間過短，易造成極化沒有全部翻轉(zhuǎn)。

對比例10

采用現(xiàn)有技術(shù)，即在鐵電薄膜表面大面積鍍金屬電極，外加電壓反轉(zhuǎn)鐵電極化，進(jìn)行大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化。

最終結(jié)果表明：造成無法實現(xiàn)鐵電薄膜的極化翻轉(zhuǎn)，且薄膜表面結(jié)構(gòu)被破壞。

結(jié)論：本發(fā)明提出的用液體大面積翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化的裝置是一個整體，其包含信號發(fā)生器、對電極、去離子水、襯底、底電極和鐵電薄膜，本發(fā)明中信號發(fā)生器產(chǎn)生與鐵電薄膜極化方向相反的外加電壓，對電極與形成在襯底上的底電極用于產(chǎn)生與鐵電薄膜極化相反的電場，去離子水用于產(chǎn)生集聚在鐵電薄膜表面形成與極化方向相反的電場的正負(fù)電荷，各個組件之間相互配合，協(xié)同作用，使其翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化的作用效果最優(yōu)，缺少任一組件都會使得翻轉(zhuǎn)鐵電薄膜極化在某些方面有不同程度的減弱。本裝置實現(xiàn)了大面積的鐵電薄膜極化的全部來回翻轉(zhuǎn)，且翻轉(zhuǎn)過程不會破壞鐵電薄膜表面結(jié)構(gòu)。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。