和Au薄膜異質(zhì)結構的信息存儲裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于信息存儲技術領域，具體涉及一種基于BiFeCVfP Au薄膜異質(zhì)結構的信息存儲裝置及基于該信息存儲裝置的信息存儲方法。
【背景技術】
[0002]信息作為人類社會三大資源之一，對人們生產(chǎn)生活的影響無處不在，在2007年的國際半導體器件發(fā)展路線圖(ITRSD)中單獨新開辟一章，命名為“新型存儲器件與材料”，其中強調(diào)指出，設計研發(fā)新一代的基于新的信息存儲機制的存儲器件具有重要的意義。實現(xiàn)信息容量大、信息保存時間長、信息讀寫能耗低、信息存取方便快捷、性能價格比高的存儲器件是未來信息技術領域長期的研宄目標。
[0003]當前存儲技術的研宄領域主要集中在磁存儲、光存儲和鐵電存儲三種存儲技術上。磁存儲雖然已經(jīng)被廣泛應用于磁盤，但是磁存儲技術仍存在諸多不足:通過磁頭和運動著的磁介質(zhì)相互作用來實現(xiàn)信息的寫入和讀出，能耗較大；寫入過程中為了產(chǎn)生足夠強的寫入磁信號，需要一定數(shù)量的線圈，這使得寫入磁頭的尺寸難以縮小，對密度的提高造成影響。光存儲技術的讀出速度快，而且是非破壞性的，但是光存儲在信息寫入時需要利用激光的熱效應在光盤上燒出凹坑，耗能較大且速度很慢，而且密度受激光波長限制，存儲容量有限。因此，從信息寫入的方式來看，“電寫入”是一種速度快、能耗低、密度大的方式，這正是鐵電存儲的優(yōu)勢。
[0004]鐵電存儲技術是基于鐵電材料的自發(fā)極化特性。在一些電介質(zhì)晶體中，晶胞的結構使正負電荷重心不重合而出現(xiàn)電偶極矩，產(chǎn)生不等于零的電極化強度，使晶體具有自發(fā)極化，即鐵電性。對于一塊未極化的鐵電晶體，電疇隨機排列，凈極化強度為零。當外加一個電場時，電疇同時向電場方向轉(zhuǎn)動，形成宏觀的凈鐵電極化；當施加一個足夠大的反向電場時，鐵電極化方向可以被反轉(zhuǎn)。特別是當移去電場后，鐵電疇電極化狀態(tài)保持不動，存儲器的狀態(tài)也得以保存不會消失，即實現(xiàn)“非易失性”存儲。這種可被外電場調(diào)制的鐵電極化狀態(tài)(“I”或“O”)使得鐵電材料可以作為存儲器。鐵電疇的反轉(zhuǎn)不需要高電場，僅用一般的工作電壓就可以改變存儲單元是在“ I”或“O”的狀態(tài)，隨著在薄膜制備技術和工藝上取得的進展以及電極材料和新的鐵電薄膜材料的發(fā)展，由鐵電材料制成的存儲器能在(3?5)V甚至更低的電壓下工作，因此鐵電存儲具有寫入速度快、能耗低、壽命長的優(yōu)點。
[0005]但是鐵電存儲器在讀取信息時，同樣需要施加電場，這對鐵電疇的極化狀態(tài)會有影響，是一種破壞性的讀取過程。因此，如果能把鐵電存儲的信息“寫入”優(yōu)勢和光存儲的信息“讀出”優(yōu)勢相結合，實現(xiàn)“電寫入、光讀取”將會是一種十分理想的信息存儲方式，其具有信息寫入速度快、能耗低，信息保存時間長、信息讀出速度快、非易失，信息存取方便快捷的優(yōu)點。
[0006]基于導電針尖技術的信息存儲系統(tǒng)是進行非易失性高密度存儲器件研宄的一類理想的發(fā)展方向。當前許多信息寫入原理都計劃使用導電針尖技術寫入【現(xiàn)有技術I:Sebastian A, Pantazi A, Pozidis H, and Elefther1u E, ‘‘Nanoposit1ning forprobe-based data storage，，in Proceedings of IEEE Conference on IEEE ControlSystems (IEEE, 2008), pp.26-35.】。大量科研人員考慮到鐵電薄膜寫入及擦除原理的無破壞性，致力于研宄利用電脈沖寫入信息至鐵電薄膜。而近場光學檢測技術可用在光學讀取中【現(xiàn)有技術 2:Leiprecht P, Kilhler P, Longo M, Leiderer P, Afonso C N, and SiegelJ, “Exploiting optical near fields for phase change memories, ^Appl.Phys.Lett.98,013103(2011).】。是否可以將基于導電針尖技術把信息寫入鐵電薄膜的存儲技術與近場光學檢測技術相結合成為了一項新的研宄內(nèi)容。NT-MDT公司生產(chǎn)的NTEGRA平臺可以將導電探針原子力顯微鏡C-AFM檢測技術與掃描近場光學顯微鏡檢測技術集成并已經(jīng)是一項成熟的技術，因此可以利用NTEGRA平臺，基于C-AFM導電針尖技術進行電信息寫入、基于SNOM針尖檢測技術進行近場光學信息讀取。
[0007]鐵酸鉍(BiFeO3)是一種新型室溫多鐵材料，其鐵電居里溫度為643K，用其制成的外延薄膜在室溫下具有很好的鐵電特性，可以利用外加電場實現(xiàn)電極化方向的偏轉(zhuǎn)，極化狀態(tài)可以永久保持，而對其施加反向電壓則可實現(xiàn)電極化方向的恢復。因此利用BiFe0j9鐵電性質(zhì)可以實現(xiàn)鐵電存儲，尤其是信息的“電寫入”。
[0008]另一方面，鐵酸鉍(BiFeO3)外延薄膜折射率變化Δη可以達到0.15?0.3，并且可以通過外加電場改變電極化方向進而改變其折射率【現(xiàn)有技術3:Choi S G，Yi HT, Cheong S ff, et al.“Optical anisotropy and charge-transfer transit1n energiesin BiFe03from 1.0to 5.5eV.” Phys.Rev.B, 2011，83:100101 (R).】。而傳統(tǒng)電光材料施加電場前后折射率的變化Δη為10_6?10 _2量級，因此BiFeO3外延薄膜具有良好的電光效應。此外，最近有工作證明，一層薄薄的復折射率材料與金屬等反射性基底形成異質(zhì)結構時，當薄膜和金屬的折射率與厚度滿足一定條件時，可見光入射到薄膜上后，會在薄膜中形成共振吸收，出現(xiàn)吸收峰【現(xiàn)有技術4:Kats M A, Sharma D, Lin J, et al.“Ultra-thinperfect absorber employing a tunable phase change material.^Appl.Phys.Lett, 2Ol2, 101:22IlOl ;現(xiàn)有技術 5:Kats M A, Blanchard R, Genevet P and CapassoF.“Nanometre optical coatings based on strong interference effects in highlyabsorbing media.’Mature Mater, 2013, 12:20.】。根據(jù)該共振吸收現(xiàn)象，可以將 BiFeO3夕卜延薄膜的電光效應進一步放大，再根據(jù)電場調(diào)制后相同波長處的反射光強強弱，利用光電探測器及計算機對反射光進行處理及閾值對比得知寫入信息，實現(xiàn)“光讀取”。
[0009]總之，根據(jù)BiFeO3的以上特性，再利用導電探針原子力顯微鏡檢測技術和近場光學顯微鏡針尖檢測技術相結合，可以實現(xiàn)“電寫入、光讀取”的信息存儲技術。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是針對當前磁存儲或光存儲技術的信息“寫入”速度慢、能耗高等問題，以及鐵電存儲技術的信息“讀出”過程對電極化狀態(tài)有破壞、存儲介質(zhì)壽命低等問題，利用BiFeOj^室溫鐵電性和光學各項異性及電光效應，制作出基于BiFeO 3和Au薄膜異質(zhì)結構的信息存儲裝置，將基于導電針尖技術把信息寫入鐵電薄膜的信息“寫入”優(yōu)勢和光存儲的信息利用近場光學檢測技術“讀出”優(yōu)勢相結合，實現(xiàn)“電寫入、光讀取”。本發(fā)明具有信息寫入速度快、能耗低，信息保存時間長、讀出速度快、非易失，信息存取方便快捷等諸多優(yōu)勢。
[0011]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0012]一種基于BiFe03和Au薄膜異質(zhì)結構的信息存儲裝置，該裝置由BiFeOjP Au薄膜異質(zhì)結構、導電探針原子力顯微鏡(Conductive-probe Atomic Force Microscope，C-AFM)、直流電壓源、氦氖激光器、掃描近場光學顯微鏡(Scanning Near-Field OpticalMicroscopy，SN0M)、入射光纖、光電倍增管、計算機組成；其特征在于:直流電壓源正、負極分別與C-AFM的導電探針及BiFeOjP Au薄膜異質(zhì)結構的Au層相連，為BiFeO 3和Au薄膜異質(zhì)結構提供可調(diào)外加電壓，C-AFM的導電探針在BiFeOjP Au薄膜異質(zhì)結構BiFeO 3層上表面微接觸掃描加電壓進行信息寫入，入射光纖一端與氦氖激光器出光口相連，另一端連接SNOM的SNOM探針，氦氖激光器發(fā)出的入射激光通過入射光纖傳輸至所述SNOM探針并通過SNOM探針入射到BiFeOjP Au薄膜異質(zhì)結構BiFeO 3