摘要：铁电刻蚀是一种新颖的刻蚀技术，在铁电研究领域日益受到重视。对铁电刻蚀的研究现状进行了综述。首先介绍了铁电极化对铁电材料表面性能的影响，然后详细阐述了铁电畴图形化的三种方法，即微电极图形化、扫描探针图形化和电子束图形化，并分析了它们的图形化机制和特点。其中微电极方法的铁电畴图形的最小尺寸为微米量级，而扫描探针和电子束方法的铁电畴图形的最小尺寸可小于100nm。与铁电畴定位的表面反应相结合，铁电刻蚀可为纳米结构的制造提供新的途径，因此在纳米器件领域具有广泛的应用前景。未来铁电刻蚀技术发展的方向是在改进铁电刻蚀技术的同时推进其在纳米器件制造中的应用。


铁电材料是一类具有广阔应用前景的功能材料，已在很多传统电子陶瓷器件中获得应用。尽管目前铁电材料的制备及其器件应用研究取得了明显进展，但以往的研究很少关注铁电材料的表面特性。实验研究表明，铁电材料的表面极化强烈影响着表面局域电子结构，进而极大影响表面化学反应，因此以铁电材料为模板，可发生依赖于表面极化的局域化学反应，实现材料的定位沉积。基于这一实验事实，近年来出现了铁电研究领域的一个新方向，即铁电刻蚀。


传统意义上的刻蚀是指半导体技术中图形转移的工艺，它是一种自上而下的微细加工工艺，即利用化学或物理方法，将光刻胶薄层未掩蔽的晶片表面或薄膜层除去，从而在晶片表面或薄膜层上获得与光刻胶薄层图形完全一致的图形，在此过程中所需图形首先由掩模版转移到光刻胶，再从光刻胶转移到晶片表面或薄膜层。随着器件特征尺寸不断缩小，传统刻蚀技术面临新的挑战。铁电刻蚀则是一种新颖的刻蚀技术，它以表面极化(铁电畴)图形化的铁电材料作为模版，通过极化(铁电畴)控制的表面化学反应(主要为光氧化／还原反应)自组装沉积材料(包括金属、功能有机分子和功能生物分子等)，形成与铁电畴图形相对应的微纳米尺度的材料图形。


1、铁电表面特性


铁电材料的表面由于铁电畴的突然终止而产生大量表面电荷。为了形成能量稳定的状态，材料外部和内部均发生响应过程。外部响应过程是由于静电吸引，与表面电荷电性相反的离子或可极化分子发生表面吸附。内部响应则是形成空间电荷区，影响局域电子结构，直接导致近表面能带弯曲。如图1为铁电极化的LiNbO，的近表面能带弯曲的示意图(图中∈三)和④为光生载流子、o和①为极化电荷、+和一为屏蔽电荷)，图中P为自发极化强度。图1(a)对应的铁电畴为正向极化(偶极子正的一端指向表面，标记为C)，由于可动电子漂移到表面而使能带向下弯曲。图1(b)对应的铁电畴为负向极化(标记为C一)，电子迁移到体内，在表面留下空穴，能带向上弯曲。

图1 LiNbO3的表面能带结构图


利用铁电材料的表面特性，可在特定的铁电畴上发生极化依赖的表面反应。许多铁电材料一般可视为宽带隙半导体材料(带隙为3～4．5eV)E1。当在能量高于其带隙的光激发下，铁电材料内部产生光生载流子(电子空穴对)。在空间电荷区的电场作用下光生电子空穴对被分离并产生定向移动，在C铁电畴的表面局部区域形成电子累积，而在C一铁电畴的表面局部区域形成空穴累积，因此需要电子(或空穴)参与的表面反应可选择性地发生在铁电极化的区域。在光激发提供稳定载梳源的条件下，这类铁电畴定位的表面化学反应可持续进行。