納米壓印技術(shù)在鐵電薄膜材料上的應(yīng)用.pdf

1、鐵電材料由于其鐵電、壓電和熱釋電等特性，在非揮發(fā)存儲(chǔ)器、傳感器、非線性光學(xué)器件和微機(jī)械系統(tǒng)等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。近些年，由于器件小型化和集成度越來(lái)越高，對(duì)鐵電材料微納加工技術(shù)的要求也越來(lái)越高。如何減少納米結(jié)構(gòu)加工過(guò)程中對(duì)鐵電薄膜的損傷，保持其良好的性能，是當(dāng)今微納加工技術(shù)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。同時(shí)納米結(jié)構(gòu)下鐵電材料性質(zhì)的研究不僅僅對(duì)基礎(chǔ)理論研究有著重大意義而且也有助于該材料在新的領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。目前傳統(tǒng)的光學(xué)光刻技術(shù)和電子束刻蝕技術(shù)在納米

2、結(jié)構(gòu)加工過(guò)程中都會(huì)對(duì)鐵電薄膜造成不可忽略的損傷，因此鐵電材料新的微納加工技術(shù)亟需被研究與開(kāi)發(fā)。
　　納米壓印是一種新興的微納米加工技術(shù)。由于其高效、經(jīng)濟(jì)、分辨率高等特點(diǎn)近些年得到了較快的發(fā)展。本論文主要講述納米壓印鐵電薄膜納米結(jié)構(gòu)制備工藝，壓印后納米圖形下鐵電薄膜性能表征，以及其在多位存儲(chǔ)、金屬銀顆粒自組裝和生物細(xì)胞誘導(dǎo)生長(zhǎng)等方面的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。
　　本文緒論部分首先介紹納米壓印技術(shù)的各種工藝，納米壓印技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，納米

3、壓印技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn);其次簡(jiǎn)單論述本工作中兩種鐵電材料鋯鈦酸鉛(PZT)與聚偏氟乙烯三氟乙烯聚合物P(VDF-TrFE)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì);最后介紹當(dāng)前納米壓印鐵電薄膜的研究現(xiàn)狀和不足，進(jìn)而提出本論文工作的選題依據(jù)。
　　本文主體工作部分從納米壓印鐵電薄膜PZT工藝研究展開(kāi)。PZT是目前應(yīng)用最為廣泛的無(wú)機(jī)鐵電材料之一。本文從材料的溶液制備方法出發(fā)，描述納米壓印模板制作與表面處理方法，鉑金襯底制作方法以及納米壓印PZT薄膜的制造工藝。詳細(xì)

4、研究不同前/后烘溫度對(duì)壓印結(jié)果的影響，并且比較不同壓印模板壓印的難易度，開(kāi)發(fā)該材料的室溫納米壓印技術(shù)，通過(guò)對(duì)工藝流程和參數(shù)細(xì)致的對(duì)比研究，制備出目前尺寸領(lǐng)先于國(guó)際水平的PZT納米線(～60nm)陣列。
　　本文在納米壓印鐵電薄膜工藝研究的基礎(chǔ)上緊接著對(duì)納米壓印鐵電薄膜PZT性能進(jìn)行表征研究。該部分首先簡(jiǎn)單介紹鐵電材料常用的幾種表征技術(shù)(如XRD、Raman、PFM);對(duì)納米壓印后PZT薄膜結(jié)晶情況進(jìn)行表征分析，研究熱壓印與室溫壓印

5、對(duì)PZT薄膜晶相結(jié)構(gòu)的影響，確定納米壓印PZT薄膜的晶相結(jié)構(gòu);通過(guò)鐵電測(cè)試儀對(duì)壓印后PZT薄膜宏觀電學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量，并與未壓印的PZT薄膜電學(xué)性能進(jìn)行比較說(shuō)明納米壓印加工PZT薄膜的可行性;最后利用掃描探針顯微技術(shù)(PFM)對(duì)壓印后PZT薄膜在微觀尺度上進(jìn)行電疇表征，研究納米壓印工藝對(duì)鐵電PZT薄膜電疇分布的影響以及其壓電特性。
　　納米壓印技術(shù)加工的鐵電薄膜在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，本文主要進(jìn)行以下三個(gè)方面的探索研究:
　　首先，

6、納米結(jié)構(gòu)鐵電薄膜材料在多位存儲(chǔ)器領(lǐng)域的應(yīng)用。多位存儲(chǔ)是提高單位存儲(chǔ)密度十分有效的方式之一，目前存儲(chǔ)器的研究主要集中于外圍電路設(shè)計(jì)上，通常需要增加額外的電路集成負(fù)擔(dān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本論文利用納米壓印技術(shù)，首次提出從鐵電薄膜納米結(jié)構(gòu)上導(dǎo)致的矯頑電壓差異實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)的想法，矯頑電壓大小對(duì)應(yīng)于不同極化狀態(tài)下鐵電薄膜所存儲(chǔ)的電荷量。
　　其次，納米結(jié)構(gòu)鐵電薄膜材料在金屬銀顆粒自組裝方面的應(yīng)用。鐵電薄膜電疇極化所產(chǎn)生的電場(chǎng)能驅(qū)動(dòng)體內(nèi)電子與空穴向不同方

7、向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電子被驅(qū)動(dòng)到PZT薄膜表面時(shí)能與溶液中的金屬離子如銀離子發(fā)生反應(yīng)，從而能將銀離子還原成銀顆粒，最終在襯底表面形成周期性的金屬圖形，即鐵電光刻技術(shù)。由于傳統(tǒng)掃描探針技術(shù)在執(zhí)行鐵電光刻的局限性，本論文利用納米壓印工藝所形成的鐵電薄膜電疇在空間上的有序分布，首次提出利用納米壓印技術(shù)進(jìn)行鐵電光刻的想法，實(shí)現(xiàn)了金屬銀顆粒的自組裝。相比于傳統(tǒng)的利用原子力顯微鏡進(jìn)行鐵電光刻的耗時(shí)長(zhǎng)、加工面積小和只適用于實(shí)驗(yàn)室研究等缺點(diǎn)，本工作所開(kāi)發(fā)的鐵電納

8、米壓印工藝更具有實(shí)際應(yīng)用前景。
　　最后，納米壓印鐵電薄膜在生物細(xì)胞誘導(dǎo)生長(zhǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用。PZT材料不具有生物兼容性，而聚偏氟乙烯三氟乙烯鐵電共聚物P(VDF-TrFE)由于不含有鉛等有害重金屬元素，在生物工程領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。本文先介紹生物工程研究中常用的幾種襯底加工技術(shù);當(dāng)前P(VDF-TrFE)薄膜上一些生物細(xì)胞行為研究，并指出目前該方面研究較多的停留于平整的P(VDF-TrFE)薄膜上面，而表面具有納米結(jié)構(gòu)的P(VDF