一種調(diào)控鐵磁性能的鐵電場效應(yīng)管的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種調(diào)控鐵磁性能的鐵電場效應(yīng)管的制備方法。該方法用激光脈沖沉積的方法以一定的參數(shù)生長表面平整結(jié)晶性較好的Lax(CaSr)(1-x)MnO3薄膜。然后采用光刻的方法刻蝕出所需的霍爾結(jié)構(gòu)的形狀，然后將有機鐵電聚合物溶入二甲基亞砜溶液中，通過朗繆爾-布羅基特方法，逐層將有機鐵電聚合物轉(zhuǎn)移至刻有霍爾結(jié)構(gòu)形狀的Lax(CaSr)(1-x)MnO3襯底上，經(jīng)過退火處理，去除界面殘留溶劑及保證薄膜具有良好結(jié)晶特性。最后再通過光刻的方法生長柵電極從而制備完成鐵電場效應(yīng)晶體管器件，本發(fā)明方法工藝簡單，為研究有機鐵電聚合物調(diào)控鐵磁薄膜的磁學(xué)性能提供了保證。
【專利說明】 —種調(diào)控鐵磁性能的鐵電場效應(yīng)管的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及調(diào)控鐵磁材料磁性能的有機鐵電場效應(yīng)晶體管的制備技術(shù)，具體指一種基于聚偏氟乙烯基有機鐵電聚合物作為晶體管的絕緣介質(zhì)層來調(diào)控鐵磁材料性能的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著信息存儲技術(shù)的快速發(fā)展，具有高密度、高速度、非揮發(fā)、低能耗的新概念隨機存儲器的研究是一個意義重大并頗具難度的課題。其中，用電場替代磁場或電流來控制磁性以實現(xiàn)信息的高速度、低能耗寫入是至關(guān)重要的。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，一個可行并有效的方法就是利用多鐵性材料及其磁電耦合效應(yīng)。磁電耦合效應(yīng)最早發(fā)現(xiàn)于單相多鐵材料 Cr2O3 中[Physical Review Letters 6，607 (1961)],隨后在單相多鐵材料 BiFeO3中也發(fā)現(xiàn)了磁電耦合效應(yīng)[Science 299，1719 (2003)]，但單相多鐵材料磁電耦合系數(shù)小，居里溫度低，因而很難得到實際應(yīng)用。為此，美國、歐洲各國、日本等科技發(fā)達(dá)的國家紛紛投入大量資金開展人工復(fù)合多鐵材料。在這一領(lǐng)域，清華大學(xué)的南策文教授和南京大學(xué)劉俊明教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在實驗和理論方面做了大量開創(chuàng)性工作，受到國際該領(lǐng)域同行的高度重視。
[0003]在鐵磁/鐵電多鐵異質(zhì)結(jié)體系中，研究的重點是電場對磁性的調(diào)控如利用電場改變鐵磁薄膜的磁各向異性、磁化強度、磁矯頑力和居里溫度等，綜合多鐵異質(zhì)電場調(diào)控磁性的眾多成果，磁性調(diào)控機制主要有兩種:(I)界面應(yīng)變調(diào)制機制，其調(diào)控原理是壓電相和壓磁相兩者通過界面的應(yīng)力相互作用，實現(xiàn)電場對磁性控制。這個領(lǐng)域的代表性工作是Eerenstein等人在BaT13襯底上外延生長40nm厚La0.67Sr0.33Mn03薄膜，并觀測到明顯的電場對薄膜磁性的調(diào)控行為[Nature Materials, 6，348 (2007)]。與此同時，Thiele等人也在(001)取向的 Pb (Mgl73Nb273)Ti0 2803 單晶和 La0 7A0 3Mn03 (A = Sr, Ca)薄膜的外延結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了電場對磁性的調(diào)控[Physical Review B, 75，05448 (2007) ]。Sahoo [PhysicalReview B，76，092108 (2007)]等人研究了 Fe/BaTi03多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中電場對磁性的調(diào)控，結(jié)果表明通過電場改變界面的磁彈性耦合，從而改變多晶Fe薄膜單軸各向異能，使易磁化軸的方向在面內(nèi)和面外之間旋轉(zhuǎn)?；诮缑鎽?yīng)變調(diào)制機制的磁電耦合，鐵電薄膜往往會受到襯底的“夾持”效應(yīng)而難以完全發(fā)揮其應(yīng)變特性，從而大大減弱了磁電耦合效應(yīng)。另夕卜，由于幾乎所有的鐵電材料的應(yīng)變在雙極性電場作用下都呈現(xiàn)出蝶形曲線的形式，因此在應(yīng)變調(diào)制的體系中，幾乎所有結(jié)果都是磁矩或矯頑場隨電場的變化表現(xiàn)為蝶形曲線行為。這類行為中最大的問題在于電場對磁的調(diào)控是“揮發(fā)的”，即當(dāng)施加在樣品上的電場撤回為零時，由于應(yīng)變隨電場的撤銷而消失，從而導(dǎo)致磁性薄膜對電場的響應(yīng)也回到了未加電場時的初始狀態(tài)，這對應(yīng)用時很不利的。(2)界面電荷機制。這種機制的代表性工作是 Molegraaf [Advanced Materials, 21, 3470 (2009)]等人在 PbZr0 2Ti0 803/La0 8Sr0 2Mn03/SrT13中所做的電場對Laa8Sra2MnO3薄膜磁性的調(diào)控。隨著PZT極化反轉(zhuǎn),Laa8Sra2MnO3的磁化強度受到顯著調(diào)制，并且磁化強度隨著電場的變化為回滯曲線，表明磁性的調(diào)控是“非揮發(fā)”的。其磁性調(diào)控機制主要是=PbZra2Tia8O3是典型的鐵電薄膜，電場極化后在體內(nèi)產(chǎn)生很大的電場，表面有極化電荷，界面處的電場使Laa8Sra2MnO3的空穴濃度發(fā)生變化，最終導(dǎo)致了磁化強度的變化。值得一提的是，在界面電荷調(diào)制體系中還有一些十分重要的工作。
[0004]有機鐵電聚合物PVDF基多鐵異質(zhì)結(jié)體系中，PVDF基鐵電聚合物作為鐵電相，其硬度遠(yuǎn)小于鐵磁相可減小界面應(yīng)力傳遞。此外，P(VDF/TrFE)的鐵電性可與無機氧化物鐵電材料相比擬。因此，P (VDF/TrFE)基多鐵異質(zhì)結(jié)是研究界面電荷機制并有望實現(xiàn)磁性調(diào)控的最佳體系。2008 年,Stolichnov[Nature Material, 7, 464 (2008)]在稀磁半導(dǎo)體(In, Mn)As/P (VDF/TrFE)體系中發(fā)現(xiàn)了電場對(In，Mn) As磁各向異性和居里溫度的調(diào)制。2011年，Mardana[Nano Letters, 11，3862 (2011)]研究 Co/P(VDF-TrFE)異質(zhì)結(jié)的磁電耦合效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)利用P (VDF/TrFE)的極化反轉(zhuǎn)能使Co薄膜的磁各向異性發(fā)生50 %的改變。2012年，Lukashev [ACS Nano, 6，9745 (2012)]理論計算 Co/P (VDF-TrFE)超晶格結(jié)構(gòu)中 P (VDF-TrFE)極化反轉(zhuǎn)對界面磁各向異性的影響，從理論上證實了 Mardana的實驗結(jié)果。這些研究結(jié)果表明，隨著P (VDF/TrFE)薄膜極化反轉(zhuǎn)，在界面處產(chǎn)生的電場使相鄰的鐵磁材料的載流子濃度發(fā)生變化，最終導(dǎo)致了鐵磁薄膜磁性的變化。而且P (VDF/TrFE)基多鐵異質(zhì)的理論和實驗都表明磁調(diào)控效應(yīng)的大小決定于界面處鐵電薄膜的極化強度、屏蔽電荷的自旋極化以及鐵磁屏蔽電荷密度。
[0005]本專利基于PVDF基有機鐵電場效應(yīng)管器件結(jié)構(gòu)研究鐵電極化對鐵磁材料的磁性能的研究，從實驗中獲得磁性調(diào)控的手段，為進(jìn)一步揭示磁電耦合效應(yīng)的微觀機制提供了基礎(chǔ)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出一種調(diào)控鐵磁材料磁性能的PVDF基鐵電場效應(yīng)晶體管的制備方法，實現(xiàn)了有機鐵電聚合物薄膜對鐵磁材料性能調(diào)控的器件的制備。
[0007]—種調(diào)控鐵磁性能的鐵電場效應(yīng)管的制備方法。其特征包括以下步驟:
[0008](I)采用激光脈沖沉積在100取向的SrT13襯底上生長1nm厚的Lax(CaSr) (^x)MnO3(以下簡稱LCSM0)薄膜，其中襯底材料SrT13襯底為100取向的氧化物單晶，襯底的表面粗糙度低于2納米，鐵磁材料LCSMO薄膜的厚度為10nm。
[0009](2)在LCSMO薄膜表面經(jīng)過旋涂光刻膠、烘烤、紫外光曝光、顯影、烘烤、Ar離子刻蝕等步驟得到所需的霍爾結(jié)構(gòu)的圖形；再次經(jīng)過光刻步驟將霍爾結(jié)構(gòu)的引腳濺射生長Au電極。
[0010](3)將有機鐵電聚合物溶液滴均勻鋪入朗繆爾-布羅基特設(shè)備已經(jīng)注入靜置超純水的液體槽中，待有機鐵電聚合物均勻分布在液面，并通過擠壓成膜的液面，通過控制液面表面壓力使薄膜成膜連續(xù)；將連續(xù)薄膜通過水平轉(zhuǎn)移朗繆爾-布羅基特方法轉(zhuǎn)移至有LCSMO圖形的襯底上，通過逐層轉(zhuǎn)移一定厚度的PVDF基有機鐵電聚合物薄膜，并將生長的薄膜經(jīng)過退火處理，薄膜的退火溫度110-135°C，維持4小時后，冷卻至室溫，便得到高結(jié)晶性PVDF基鐵電聚合物薄膜。
[0011](4)在已經(jīng)生長好PVDF基鐵電聚合物的襯底上熱蒸發(fā)10nm的金屬Al，再經(jīng)過旋涂光刻膠、烘烤、紫外光曝光、顯影、烘烤、Ar離子刻蝕等步驟得到所需的柵電極的圖形結(jié)構(gòu)，經(jīng)過上述步驟便得到PVDF基鐵電場效應(yīng)晶體管器件。
[0012]所述的旋涂光刻膠的轉(zhuǎn)速為4k轉(zhuǎn)每分鐘，烘烤溫度為85攝氏度，紫外光曝光時間為20秒。
[0013]所述的PVDF基有機鐵電聚合物為聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物P (VDF-TrFE)。
[0014]所述的PVDF基有機鐵電聚合物溶液的溶劑為二甲基亞砜，其溶液濃度的質(zhì)量百分含量為0.01%。
[0015]所述的超純水的電阻為18.2兆歐姆，液面表面壓控制在5毫牛頓每米。
[0016]本發(fā)明特點在于制備一種調(diào)控鐵磁材料磁性能的PVDF基鐵電場效應(yīng)晶體管器件，利用該方法制備的晶體管器件，其工藝簡單，成本低，易于制備。

【專利附圖】

【附圖說明】
:
[0017]圖1為調(diào)控鐵磁材料磁性能的PVDF基鐵電場效應(yīng)晶體管的制備流程圖；
[0018]圖2為采用本方法制備的場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖3為采用本方法制備的場效應(yīng)晶體管的鐵電材料對鐵磁材料電阻的調(diào)控變化圖。
[0020]圖3中，I號曲線為LCSMO的電阻隨柵壓的變化關(guān)系，2號曲線PVDF基鐵電聚合物極化強度隨柵壓的變化關(guān)系。

【具體實施方式】
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[0021]下面將是結(jié)合附圖1，表述本發(fā)明的具體實施方法。具體步驟依次為:
[0022]a,實施例1:
[0023]將SrT13襯底材料清洗干凈保證其表面的平整度，采用PLD方法生長結(jié)晶性良好的1nm厚Laa67Caa23SraiMnO3薄膜。然后在Laa67Caa23SraiMnO3薄膜表面經(jīng)過旋涂光刻膠、烘烤、紫外光曝光、顯影、烘烤、Ar離子刻蝕等步驟得到所需的Hall Ball的圖形結(jié)構(gòu)；再經(jīng)過lift-off步驟將Hall Bar的引腳派射生長T1-Au電極；
[0024]其中所述的旋涂光刻膠的轉(zhuǎn)速為4k轉(zhuǎn)每分鐘，烘烤溫度為85攝氏度，紫外光曝光時間為20秒。
[0025]將PVDF基聚合物P (VDF-TrFE)溶于二甲基亞砜溶液中，其溶液濃度為質(zhì)量百分含量為0.01%。然后將P (VDF-TrFE)有機鐵電聚合物二甲基亞砜溶液均勻鋪入已經(jīng)注入靜置超純水的朗繆爾-布羅基特設(shè)備的液體槽中，超純水電阻為18.2兆歐姆，待有機鐵電聚合物均勻分布在液面，并通過擠壓成膜的液面，通過控制液面表面壓力至5毫牛每米，使薄膜成膜連續(xù)；
[0026]其中所述超純水電阻為18.2兆歐姆。
[0027]將連續(xù)薄膜通過水平轉(zhuǎn)移朗繆爾-布羅基特方法轉(zhuǎn)移至已經(jīng)制備出HallBar圖形的Laa67Caa23SraiMnO3薄膜襯底上，通過重復(fù)轉(zhuǎn)移P(VDF-TrFE)有機鐵電聚合物薄膜，得到一定厚度的鐵電薄膜，并將生長的鐵電薄膜經(jīng)過退火處理4小時，退火溫度為135°C，冷卻至室溫，可形成具有調(diào)控鐵磁材料磁性能的PVDF基鐵電場效應(yīng)晶體管器件。其器件結(jié)構(gòu)圖可參照附圖2。
【權(quán)利要求】
1.一種調(diào)控鐵磁性能的鐵電場效應(yīng)管的制備方法，其特征包括以下步驟: (1)采用激光脈沖沉積在100取向的SrT13襯底上生長1nm厚的Lax(CaSr)(1-χ)MnO3(以下簡稱LCSM0)薄膜，其中襯底材料SrTi03襯底為100取向的氧化物單晶，襯底的表面粗糙度低于2納米，鐵磁材料LCSMO薄膜的厚度為1nm ； (2)在LCSMO薄膜表面經(jīng)過旋涂光刻膠、烘烤、紫外光曝光、顯影、烘烤、Ar離子刻蝕等步驟得到所需的霍爾結(jié)構(gòu)的圖形；再次經(jīng)過光刻步驟將霍爾結(jié)構(gòu)的引腳濺射生長Au電極； (3)將有機鐵電聚合物溶液滴均勻鋪入朗繆爾-布羅基特設(shè)備已經(jīng)注入靜置超純水的液體槽中，待有機鐵電聚合物均勻分布在液面，并通過擠壓成膜的液面，通過控制液面表面壓力使薄膜成膜連續(xù)；將連續(xù)薄膜通過水平轉(zhuǎn)移朗繆爾-布羅基特方法轉(zhuǎn)移至有LCSMO圖形的襯底上，通過逐層轉(zhuǎn)移一定厚度的PVDF基有機鐵電聚合物薄膜，并將生長的薄膜經(jīng)過退火處理，薄膜的退火溫度110-135°C，維持4小時后，冷卻至室溫，便得到高結(jié)晶性PVDF基鐵電聚合物薄膜； (4)在已經(jīng)生長好PVDF基鐵電聚合物的襯底上熱蒸發(fā)10nm的金屬Al，再經(jīng)過旋涂光刻膠、烘烤、紫外光曝光、顯影、烘烤、Ar離子刻蝕等步驟得到所需的柵電極的圖形結(jié)構(gòu)，經(jīng)過上述步驟便得到PVDF基鐵電場效應(yīng)晶體管器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種調(diào)控鐵磁性能的鐵電場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于，所述的旋涂光刻膠的轉(zhuǎn)速為4k轉(zhuǎn)每分鐘，烘烤溫度為85攝氏度，紫外光曝光時間為20秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種調(diào)控鐵磁性能的鐵電場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于，所述的PVDF基有機鐵電聚合物溶液的溶劑為二甲基亞砜，其溶液濃度的質(zhì)量百分含量為 0.01%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種調(diào)控鐵磁性能的鐵電場效應(yīng)管的制備方法，其特征在于，所述的超純水的電阻為18.2兆歐姆，液面表面壓控制在5毫牛頓每米。
【文檔編號】H01L21/336GK104362094SQ201410546700
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】趙曉林, 王建祿, 孟祥建, 韓莉, 孫碩, 沈宏, 林鐵, 孫璟蘭, 褚君浩 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所