2、铁电畴图形化


对于铁电刻蚀，需要在电场作用下，在铁电材料表面微米甚至纳米尺度实现铁电畴自发极化取向的操纵(tg称为铁电畴翻转)，获得小尺度的铁电畴图形。下面详细介绍目前主要适合铁电刻蚀应用的三种铁电畴图形化方法，即微电极图形化、扫描探针图形化和电子束图形化。


2．1微电极图形化


铁电畴翻转最直接的方法是采用传统的电极。为获得预定图形的铁电畴，需要采用相应图形的微电极与表面接触，并施加合适偏压，产生高于衬底材料矫枉场的电场，使铁电材料极化。微电极图形化方法中关键的是微电极的制作。针对铁电刻蚀的需要，D．A．Bon~ell等人Lj开发了一种图形化的印章电极的制备工艺：首先采用微细加工技术制备所需图案和尺寸大小的模具，然后把液体聚合物如聚二甲基硅氧烷(PDM S)注入模具，硬化后去除模具，最后在聚合物表面热蒸发沉积金属薄膜。印章电极是可移动的，使用方便，并且可以多次利用。尽管在整个印章表面沉积了金属，但只有那些与铁电表面接触的区域才会产生足够高的电场使铁电畴翻转。图2所示为采用印章电极极化Pb(Zr，Ti)O，(PZT)薄膜过程的示意图和获得的铁电畴图形的光学像。该方法中铁电畴的翻转机制与传统平行板电极下铁电畴重新取向相同，即新畴在界面的成核生长。图2中铁电畴图形的尺寸较大，但证实了印章电极在铁电畴翻转中的有效性。


印章电极诱导的铁电畴图形化的优势是可简单而直接地实现铁电表面极化方向重新取向，重新取向的铁电畴可达到衬底以下的有效深度较大，但很难获得特征尺寸小于1／，m的铁电畴结构。原因是在印章电极制作的第一步即模具的图形化需要采用传统微细加工技术，要实现纳米尺寸电极的制作存在困难。此外，由于印章电极使用时电场不均匀，在电极边缘，电场非常高，这里是新畴成核的位置，电畴的横向扩展生长使得最终得到的电畴的尺寸要比电极的实际尺寸大。


2．2扫描探针图形化


第二种表面极化图形化的方法是把电极的概念扩展到扫描探针针尖。如图3(a)所示，导电的扫描探针显微镜(SPM)针尖扫描铁电表面时，施加直流电压。当针尖引起的局域电场足够高时，与针尖接触的区域内的铁电畴取向发生翻转。通过控制针尖的运动，形成复杂铁电畴图形，并且由于针尖半径非常小(约10nm)，因此可获得的铁电畴图形具有极高的空间分辨率。铁电畴翻转机制也包括新畴成核，然后是前向生长和侧向扩展过程。(a)铁电薄膜在直流电压偏置的探针针尖作用下电畴翻转示意图一■(b)在100nm厚的PzT薄膜上(e)在100nln厚的PZT薄膜上获得的铁电畴阵列获得的复杂铁电畴图形的压电响应力图像


针尖电场的几何形状不同于平面电极，电场高度局域化，并且与针尖接触铁电表面区域电场非常高。在局域化的针尖电场作用下，活化能和临界畴尺寸变得非常小，新的铁电畴将均匀成核生长口，理想情况下，铁电畴的最小尺寸由铁电材料的晶体结构和表面状况决定。扫描探针技术发展后不久，人们开展了许多利用SPM针尖控制铁电极化的研究，其中一个热点是小尺寸的铁电畴图形的制作。目前，已成功在100nm尺寸范围内实现铁电畴图形化。


图3(b)和(C)为采用直流电压偏置的SPA400原子力显微镜针尖扫描在100 nm厚的PZT薄膜上制作的铁电畴图形的压电响应力图像(PFM)，图像尺寸都为20 m X 20 m，其中图3(b)中铁电畴阵列的尺寸约2．5／zm，图3(c)中复杂铁电畴图形的最小尺寸约500 nm。目前针尖诱导的铁电畴翻转已在大量材料中证实，SPM已成为铁电畴图形化的有效工具，但常规SPM的操作速度很慢，大量的应用需要采用高速度、高偏压和多探针等新的扫描探针技术。


2．3电子束图形化


第三种铁电畴图形化的方法是基于入射电子与铁电表面的相互作用。图4(a)为实验装置的示意图，即为配备了刻蚀控制软件的扫描电镜，图4(b)为电子与样品的相互作用及铁电畴翻转机制的示意图。当样品表面被高能电子辐照，电子一品格相互作用将导致近表面区域产生一系列的物理现象，包括激发产生二次电子，生成人射电子的背散射电子，以及二次电子和背散射电子的发射和俘获。在大多数情况下，入射电子不等于发射电子，这引起表面电荷积累。当表面电荷产生的电场大于铁电材料的矫枉场时，即在表面附近发生铁电畴的重新取向。

研究表明，铁电畴翻转的方向与入射电子束流大小有关。I1。当束流较小，发射电子多于入射电子，净表面电荷为正，将诱导负的铁电畴翻转，反之，净表面电荷为负，将诱导正的铁电畴翻转。对于铁电薄膜而言，净表面电荷还可能受到电子束能量的影响，因为高能电子束的穿透深度可能超过薄膜的厚度，导致电子通过底电极和衬底泄露，因此铁电畴的取向由电子束流大小和电子能量两个参数控制，在不同电子束辐照条件下，正的和负的极化特性都能产生。与扫描探针图形化方法一样，目前采用该方法已能获得最小尺寸在100 nm以内的铁电畴图形。电子柬图形化是最近才发展起来的铁电刻蚀新方法。目前关于电子束诱导铁电畴翻转的一些基本问题尚待研究，其中包括电畴翻转的成核和生长过程的定量描述、高能电子束辐射是否导致铁电材料改性等问题。