納米壓印技術(shù)在鐵電薄膜材料上的應用.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)存儲器、傳感器、非線性光學器件和微機械系統(tǒng)等領(lǐng)域有著非常廣泛的應用。近些年，由于器件小型化和集成度越來越高，對鐵電材料微納加工技術(shù)的要求也越來越高。如何減少納米結(jié)構(gòu)加工過程中對鐵電薄膜的損傷，保持其良好的性能，是當今微納加工技術(shù)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。同時納米結(jié)構(gòu)下鐵電材料性質(zhì)的研究不僅僅對基礎(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)域的應用開發(fā)。目前傳統(tǒng)的光學光刻技術(shù)和電子束刻蝕技術(shù)在納米

2、結(jié)構(gòu)加工過程中都會對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、分辨率高等特點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、金屬銀顆粒自組裝和生物細胞誘導生長等方面的應用開發(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);最后介紹當前納米壓印鐵電薄膜的研究現(xiàn)狀和不足，進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。PZT是目前應用最為廣泛的無機鐵電材料之一。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

4、研究不同前/后烘溫度對壓印結(jié)果的影響，并且比較不同壓印模板壓印的難易度，開發(fā)該材料的室溫納米壓印技術(shù)，通過對工藝流程和參數(shù)細致的對比研究，制備出目前尺寸領(lǐng)先于國際水平的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)上緊接著對納米壓印鐵電薄膜PZT性能進行表征研究。該部分首先簡單介紹鐵電材料常用的幾種表征技術(shù)(如XRD、Raman、PFM);對納米壓印后PZT薄膜結(jié)晶情況進行表征分析，研究熱壓印與室溫壓印

5、對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);通過鐵電測試儀對壓印后PZT薄膜宏觀電學性能進行測量，并與未壓印的PZT薄膜電學性能進行比較說明納米壓印加工PZT薄膜的可行性;最后利用掃描探針顯微技術(shù)(PFM)對壓印后PZT薄膜在微觀尺度上進行電疇表征，研究納米壓印工藝對鐵電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)域的應用，本文主要進行以下三個方面的探索研究:
　　首先，

6、納米結(jié)構(gòu)鐵電薄膜材料在多位存儲器領(lǐng)域的應用。多位存儲是提高單位存儲密度十分有效的方式之一，目前存儲器的研究主要集中于外圍電路設(shè)計上，通常需要增加額外的電路集成負擔來實現(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)上導致的矯頑電壓差異實現(xiàn)多位存儲的想法，矯頑電壓大小對應于不同極化狀態(tài)下鐵電薄膜所存儲的電荷量。
　　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用。鐵電薄膜電疇極化所產(chǎn)生的電場能驅(qū)動體內(nèi)電子與空穴向不同方

7、向運動，當電子被驅(qū)動到PZT薄膜表面時能與溶液中的金屬離子如銀離子發(fā)生反應，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)進行鐵電光刻的想法，實現(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行鐵電光刻的耗時長、加工面積小和只適用于實驗室研究等缺點，本工作所開發(fā)的鐵電納

8、米壓印工藝更具有實際應用前景。
　　最后，納米壓印鐵電薄膜在生物細胞誘導生長領(lǐng)域的應用。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);當前P(VDF-TrFE)薄膜上一些生物細胞行為研究，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