2、鐵電疇圖形化


對于鐵電刻蝕，需要在電場作用下，在鐵電材料表面微米甚至納米尺度實現鐵電疇自發極化取向的操縱(tg稱為鐵電疇翻轉)，獲得小尺度的鐵電疇圖形。下面詳細介紹目前主要適合鐵電刻蝕應用的三種鐵電疇圖形化方法，即微電極圖形化、掃描探針圖形化和電子束圖形化。


2．1微電極圖形化


鐵電疇翻轉最直接的方法是采用傳統的電極。為獲得預定圖形的鐵電疇，需要采用相應圖形的微電極與表面接觸，并施加合適偏壓，產生高于襯底材料矯枉場的電場，使鐵電材料極化。微電極圖形化方法中關鍵的是微電極的制作。針對鐵電刻蝕的需要，D．A．Bon~ell等人Lj開發了一種圖形化的印章電極的制備工藝：首先采用微細加工技術制備所需圖案和尺寸大小的模具，然后把液體聚合物如聚二甲基硅氧烷(PDM S)注入模具，硬化后去除模具，最后在聚合物表面熱蒸發沉積金屬薄膜。印章電極是可移動的，使用方便，并且可以多次利用。盡管在整個印章表面沉積了金屬，但只有那些與鐵電表面接觸的區域才會產生足夠高的電場使鐵電疇翻轉。圖2所示為采用印章電極極化Pb(Zr，Ti)O，(PZT)薄膜過程的示意圖和獲得的鐵電疇圖形的光學像。該方法中鐵電疇的翻轉機制與傳統平行板電極下鐵電疇重新取向相同，即新疇在界面的成核生長。圖2中鐵電疇圖形的尺寸較大，但證實了印章電極在鐵電疇翻轉中的有效性。


印章電極誘導的鐵電疇圖形化的優勢是可簡單而直接地實現鐵電表面極化方向重新取向，重新取向的鐵電疇可達到襯底以下的有效深度較大，但很難獲得特征尺寸小于1／，m的鐵電疇結構。原因是在印章電極制作的第一步即模具的圖形化需要采用傳統微細加工技術，要實現納米尺寸電極的制作存在困難。此外，由于印章電極使用時電場不均勻，在電極邊緣，電場非常高，這里是新疇成核的位置，電疇的橫向擴展生長使得最終得到的電疇的尺寸要比電極的實際尺寸大。


2．2掃描探針圖形化


第二種表面極化圖形化的方法是把電極的概念擴展到掃描探針針尖。如圖3(a)所示，導電的掃描探針顯微鏡(SPM)針尖掃描鐵電表面時，施加直流電壓。當針尖引起的局域電場足夠高時，與針尖接觸的區域內的鐵電疇取向發生翻轉。通過控制針尖的運動，形成復雜鐵電疇圖形，并且由于針尖半徑非常小(約10nm)，因此可獲得的鐵電疇圖形具有極高的空間分辨率。鐵電疇翻轉機制也包括新疇成核，然后是前向生長和側向擴展過程。(a)鐵電薄膜在直流電壓偏置的探針針尖作用下電疇翻轉示意圖一■(b)在100nm厚的PzT薄膜上(e)在100nln厚的PZT薄膜上獲得的鐵電疇陣列獲得的復雜鐵電疇圖形的壓電響應力圖像


針尖電場的幾何形狀不同于平面電極，電場高度局域化，并且與針尖接觸鐵電表面區域電場非常高。在局域化的針尖電場作用下，活化能和臨界疇尺寸變得非常小，新的鐵電疇將均勻成核生長口，理想情況下，鐵電疇的最小尺寸由鐵電材料的晶體結構和表面狀況決定。掃描探針技術發展后不久，人們開展了許多利用SPM針尖控制鐵電極化的研究，其中一個熱點是小尺寸的鐵電疇圖形的制作。目前，已成功在100nm尺寸范圍內實現鐵電疇圖形化。


圖3(b)和(C)為采用直流電壓偏置的SPA400原子力顯微鏡針尖掃描在100 nm厚的PZT薄膜上制作的鐵電疇圖形的壓電響應力圖像(PFM)，圖像尺寸都為20 m X 20 m，其中圖3(b)中鐵電疇陣列的尺寸約2．5／zm，圖3(c)中復雜鐵電疇圖形的最小尺寸約500 nm。目前針尖誘導的鐵電疇翻轉已在大量材料中證實，SPM已成為鐵電疇圖形化的有效工具，但常規SPM的操作速度很慢，大量的應用需要采用高速度、高偏壓和多探針等新的掃描探針技術。


2．3電子束圖形化


第三種鐵電疇圖形化的方法是基于入射電子與鐵電表面的相互作用。圖4(a)為實驗裝置的示意圖，即為配備了刻蝕控制軟件的掃描電鏡，圖4(b)為電子與樣品的相互作用及鐵電疇翻轉機制的示意圖。當樣品表面被高能電子輻照，電子一品格相互作用將導致近表面區域產生一系列的物理現象，包括激發產生二次電子，生成人射電子的背散射電子，以及二次電子和背散射電子的發射和俘獲。在大多數情況下，入射電子不等于發射電子，這引起表面電荷積累。當表面電荷產生的電場大于鐵電材料的矯枉場時，即在表面附近發生鐵電疇的重新取向。

研究表明，鐵電疇翻轉的方向與入射電子束流大小有關。I1。當束流較小，發射電子多于入射電子，凈表面電荷為正，將誘導負的鐵電疇翻轉，反之，凈表面電荷為負，將誘導正的鐵電疇翻轉。對于鐵電薄膜而言，凈表面電荷還可能受到電子束能量的影響，因為高能電子束的穿透深度可能超過薄膜的厚度，導致電子通過底電極和襯底泄露，因此鐵電疇的取向由電子束流大小和電子能量兩個參數控制，在不同電子束輻照條件下，正的和負的極化特性都能產生。與掃描探針圖形化方法一樣，目前采用該方法已能獲得最小尺寸在100 nm以內的鐵電疇圖形。電子柬圖形化是最近才發展起來的鐵電刻蝕新方法。目前關于電子束誘導鐵電疇翻轉的一些基本問題尚待研究，其中包括電疇翻轉的成核和生長過程的定量描述、高能電子束輻射是否導致鐵電材料改性等問題。