本发明涉及铁电器件的制备方法，特别涉及一种调控超薄铁磁薄膜磁性能的铁电器件的制备方法。
背景技术：
随着科学技术的快速发展,高密度、高速度、非破坏、低能耗信息存储器的市场需求越来越大。现已被广泛应用的磁存储器(mram)虽易于读取，但磁场驱动的写入方式速度慢、能耗高，而且设计复杂，已不能满足现代信息存储的要求，从而限制了磁存储器的应用。针对磁写入方式速度慢、能耗高的问题，研究者利用多铁材料及其磁电耦合效应实现了电场对磁性能的调控，并设计了新概念的磁电耦合存储器(meram)。相比于mram，meram具有速度快、密度高、能耗小等优势，从而具有广阔的应用前景，备受人们的关注。为实现磁电耦合等新型存储器件，研究电场对铁磁薄膜磁性能的调控意义重大。
磁性能调控机制主要有三种：(1)界面应变机制，其调控原理是压电相和压磁相两者通过界面的应力相互作用，实现电场对磁性能控制。(2)交换偏置作用，其调控原理是通过单相多铁材料中的铁电性和反铁磁性的磁电耦合及界面处反铁磁性和铁磁薄膜之间的交换偏置作用达到磁性能调控的目的。(3)界面电荷机制，其机理是铁电薄膜由于极化在界面处产生的电场导致磁性薄膜中自旋相关载流子的富集或耗散，从而达到电场调控磁性能的目的。就目前的研究现状来看，界面应变机制的研究最为广泛和深入，然而其磁电耦合受到衬底“夹持”且易失的。基于交换偏置作用的磁电耦合克服了衬底的“夹持”，但单相多铁材料稀缺而且实现磁性能调控的条件苛刻。基于界面电荷机制的磁性能调控不受衬底约束而且磁性能调控是非易失的，研究该机制意义重大。
值得注意的是，由于thoma-fermi屏蔽效应，基于界面电荷机制的磁性能调控一般只作用于几纳米厚的铁磁薄膜范围内，随着厚度增加电荷效应作用迅速减小。2015年，n.x.sun研究小组研究了多铁异质结co0.3fe0.7/ba0.6sr0.4tio3中磁电耦合效应的影响。在1.2nm的co0.3fe0.7的薄膜中，可以观察到外加极化电压对共振磁场产生明显的调控，然而在50nm的co0.3fe0.7薄膜中基本观察不到共振磁场的变化。
相比于无机铁电材料，聚偏二氟乙烯(pvdf)及其三氟乙烯的共聚物[p(vdf-trfe)]铁电性能优异，而且其制备工艺与cmos工艺相兼容，可以满足制备磁电耦合器件的需要。2012年，a.mardana在有机多铁p(vdf-trfe)/co异质结中，发现了电荷效应诱导的磁电耦合。当有机铁电材料p(vdf-trfe)极化翻转时，0.95nm厚co面内矫顽力增加而面外矫顽力减小，而且co的易磁化轴从面外转向面内。2016,s.h.liang等人第一次成功制备了la0.6sr0.4mno3/pvdf/co多铁隧道结，研究表明通过pvdf铁电极化翻转可调控界面co薄膜的磁各向异性，从而影响隧道结的隧穿磁电阻。然而，聚合物铁电薄膜对铁磁薄膜的调控尚处于起步阶段，界面电荷机制和磁性调控手段还有待进一步研究。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种调控超薄铁电薄膜磁性能的铁电器件的制备方法，为研究pvdf基聚合物铁电薄膜调控铁磁薄膜的磁性能提供了保证。
本发明的技术方案为：
一种调控超薄铁磁薄膜磁性能的铁电器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用双离子束溅射方法在衬底上生长铁磁薄膜，其中衬底材料为覆盖有sio2的100取向的单晶si片或100取向的srtio3单晶片；
(2)采用lift-off方法在铁磁薄膜的表面制备出ti/au“十”字标记，以校准后续所需的光刻图形；
(3)在铁磁薄膜表面通过旋涂光刻胶、前烘、紫外光曝光、显影、后烘、ar离子刻蚀步骤，得到铁磁薄膜图形；再次采用lift-off方法在铁磁薄膜上溅射生长ti/au电极引脚；
(4)在具有铁磁薄膜图形的衬底上制备pvdf基铁电薄膜；
(5)采用热蒸发或双离子束溅射方法在pvdf基铁电薄膜的表面制备金属al薄膜；然后通过旋涂光刻胶、前烘、紫外光曝光、显影、后烘、ar离子刻蚀步骤，得到al电极图形。
进一步地，所述的铁磁薄膜的厚度为1-2纳米(厚度很薄，因此体现为超薄铁磁薄膜)，铁磁薄膜的种类为铁磁金属fe，co或ni中的一种。
进一步地，所述的ti/au“十”字标记需在步骤(2)的前半部分完成，以校准后续所需的光刻图形。
进一步地，pvdf基铁电薄膜为p(vdf-trfe)薄膜或pvdf薄膜，其制备方法为溶胶-凝胶方法或朗谬尔-布罗基特方法。
进一步地，所述的旋涂光刻胶的转速为3000-4000转每分钟；前烘温度为80-85℃，时间15-20分钟；紫外光曝光时间为15-20秒；采用az1500显影液显影1-1.5分钟；采用电阻为18.2mω的超纯水清洗；后烘温度为110-120℃，时间15-20分钟。
本发明的有益效果在于：
本发明在衬底上制备超薄铁磁薄膜/pvdf基铁电薄膜/al结构的铁电器件，通过对铁磁薄膜的电极引脚和al电极加电场使pvdf基铁电薄膜极化，而由极化引起的铁磁薄膜的电性能变化可通过伏安表测量，为研究有机铁电薄膜对超薄铁磁薄膜的磁性能调控提供了保证。
附图说明
图1为本发明制备工艺的流程框图。
图2至7分别为实施例1各步骤所得器件的俯视图。
图8为实施例1所得器件的截面图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明并不限于此。本发明的制备工艺流程框图如图1所示，具体实施例如下。
实施例1
(1)将表面覆盖有sio2的si衬底材料清洗干净，保证其表面的平整度。清洗衬底的具体步骤为：首先采用丙酮超声清洗2分钟，然后酒精超声清洗3分钟，去离子水超声清洗3分钟，用氮气吹干表面，然后放入烘箱在120℃烘干5分钟；
(2)采用双离子束溅射法在si衬底表面制备超薄co薄膜，其俯视图如图2所示，其中1表示co薄膜，此时，co薄膜覆盖整个基片；双离子束溅射工艺为：本底真空度为2*10-3pa，工作气压为2*10-2pa，首先辅源清洗co靶材2分钟，清洗时离子能量为300ev；然后主源溅射co靶材，离子能量600ev，溅射时间为1分钟；
(3)采用lift-off方法制备“十”字标记的ti/au薄膜层，其俯视图如图3所示，其中，2表示ti/au“十”字标记。lift-off步骤为：在超薄co薄膜的表面通过光刻工艺得到“十”字标记图形；采用双离子溅射法在“十”字标图形依次制备ti和au薄膜；把基片放入丙酮溶液浸泡5分钟后再超声2分钟，最后去离子水冲洗并用氮气吹干。其中，光刻工艺包括为涂胶、前烘、紫外曝光、显影、冲洗、后烘过程；其中，涂胶即旋涂光刻胶的转速为4000转/分钟，旋转30秒；前烘温度为85℃，时间10分钟；紫外曝光的时间为16秒；显影采用az1500显影液显影，时间为1分钟；冲洗采用电阻为18.2mω的纯净水进行；后烘温度为120℃，时间为20分钟。
(4)以“十”字标记为校准，在超薄co薄膜表面通过旋涂光刻胶、前烘、紫外光曝光、显影、后烘、ar离子刻蚀等步骤得到所需的铁磁薄膜图形，其俯视图如图4所示，此时的铁磁薄膜图形为co薄膜的一部分，因此仍然标记为1(值得说明的是，后续co薄膜的一部分均仍以1表示)，其中，3表示si衬底上覆盖的sio2。其中，涂胶即旋涂光刻胶的转速为4000转/分钟，旋转20秒；前烘温度为85℃，时间10分钟；紫外曝光的时间为15秒；显影采用az1500显影液显影，时间为1分钟；冲洗采用电阻为18.2mω的纯净水进行；后烘温度为118℃，时间为25分钟。ar离子刻蚀的工艺：本底真空度为2*10-3pa，工作气压为2*10-2pa，离子束能量为500ev。
(5)采用lift-off方法在铁磁薄膜图形上溅射生长ti/au电极引脚，其俯视图如图5所示，4表示ti/au电极引脚。lift-off步骤为：以“十”字标记为校准，通过光刻工艺得到引脚图形；采用双离子溅射法在引脚图形上依次制备ti和au薄膜；把基片放入丙酮溶液浸泡8分钟后再超声2分钟，最后去离子水冲洗并用氮气吹干。光刻工艺包括为涂胶、前烘、紫外曝光、显影、冲洗、后烘过程；其中，涂胶即旋涂光刻胶的转速为4000转/分钟，旋转20秒；前烘温度为85℃，时间10分钟；紫外曝光的时间为15秒；显影采用az1500显影液显影，时间为1分钟10秒；采用电阻为18.2mω的纯净水进行冲洗；后烘温度为120℃，时间为20分钟。
(6)采用水平转移朗缪尔-布罗基特方法制备pvdf薄膜，其俯视图如图6所示，其中，5表示pvdf薄膜，pvdf薄膜覆盖整个基片。将pvdf聚合物溶于二甲基亚砜溶液中，溶液的质量分数均控制在0.01％，将溶液滴均匀铺入静置超纯水的液体槽中，待1小时后在液体表面形成连续有机薄膜；将连续薄膜通过水平转移朗缪尔-布罗基特方法转移至步骤(5)所得的器件表面上，重复转移pvdf薄膜50次，将生长的薄膜在145℃下退火4小时；
(7)采用热蒸法制备al薄膜，以“十”字标记为校准，在al薄膜表面通过旋涂光刻胶、前烘、紫外光曝光、显影、后烘、ar离子刻蚀等步骤得到所需的al薄膜图形即al电极，其俯视图如图7所示，其中，6表示al电极，al电极在铁电薄膜上制作。热蒸发工艺：本底真空度为2*10-4pa，工作气压为1.5*10-3pa，热蒸发时间为6分钟。光刻工艺：旋涂光刻胶的转速为4000转/分钟，旋转20秒；前烘温度为85℃，时间10分钟；紫外曝光的时间为15秒；显影采用az1500显影液显影，时间为1分钟；冲洗采用电阻为18.2mω的纯净水进行；后烘温度为120℃，时间为20分钟。ar离子刻蚀的工艺：本底真空度为2*10-3pa，工作气压为2*10-2pa，离子束能量为500ev。
实施例2
(1)将srtio3衬底材料清洗干净，保证其表面的平整度。清洗衬底的具体步骤为：首先采用丙酮超声清洗3分钟，然后酒精超声清洗3分钟，去离子水超声清洗3分钟，用氮气吹干表面，然后放入烘箱在120℃烘干10分钟；
(2)采用双离子束溅射法在srtio3衬底表面制备超薄fe薄膜，双离子束溅射工艺为：本底真空度为2*10-3pa，工作气压为2*10-2pa，首先辅源清洗fe靶材3分钟，清洗时离子能量为300ev；然后主源溅射fe靶材，离子能量500ev，溅射时间为1分钟；
(3)采用lift-off方法制备“十”字符号图形的ti/au薄膜层，以便后面光刻图形的校准；lift-off步骤为：在超薄fe薄膜的表面通过光刻工艺得到“十”标记图形；采用双离子溅射法在“十”标记图形上依次制备ti和au薄膜；把基片放入丙酮溶液浸泡10分钟后再超声3分钟，去离子水冲洗后用氮气吹干。其中，光刻工艺包括为涂胶、前烘、紫外曝光、显影、冲洗、后烘过程；其中，涂胶即旋涂光刻胶的转速为4000转/分钟，旋转20秒；前烘温度为85℃，时间10分钟；紫外曝光的时间为15秒；显影采用az1500显影液显影，时间为1分钟；冲洗采用电阻为18.2mω的纯净水进行；后烘温度为115℃，时间为20分钟；
(4)以“十”字标记为校准，在超薄fe薄膜表面通过旋涂光刻胶、前烘、紫外光曝光、显影、后烘、ar离子刻蚀等步骤得到所需的铁磁薄膜图形。其中，涂胶即旋涂光刻胶的转速为4000转/分钟，旋转20秒；前烘温度为85℃，时间10分钟；紫外曝光的时间为15秒；显影采用az1500显影液显影，时间为1分钟；冲洗采用电阻为18.2mω的纯净水进行；后烘温度为115℃，时间为20分钟。ar离子刻蚀的工艺：本底真空度为2*10-3pa，工作气压为2*10-2pa，离子束能量为500ev。
(5)采用lift-off方法在铁磁薄膜fe图形上溅射生长ti/au电极引脚。lift-off步骤为：通过光刻工艺得到引脚图形；采用双离子溅射法在引脚图形上依次制备ti和au薄膜；把基片放入丙酮溶液浸泡10分钟后再超声2分钟，最后去离子水冲洗并用氮气吹干。光刻工艺包括为涂胶、前烘、紫外曝光、显影、冲洗、后烘过程；其中，涂胶即旋涂光刻胶的转速为4000转/分钟，旋转20秒；前烘温度为85℃，时间10分钟；紫外曝光的时间为15秒；显影采用az1500显影液显影，时间为1分钟；采用电阻为18.2mω的纯净水进行冲洗；后烘温度为115℃，时间为20分钟。
(6)采用溶胶-凝胶法制备p(vdf-trfe)有机铁电薄膜，将p(vdf-trfe)前驱体溶液滴在衬底上进行甩膜，其中甩膜的转速为3000转/分钟，旋转时间为1分钟，最后在135℃下退火5小时；
(7)采用双离子束溅射法制备al薄膜，在al薄膜的表面上通过旋涂光刻胶、前烘、紫外光曝光、显影、后烘、ar离子刻蚀等步骤得到所需的al电极图形。双离子束溅射工艺为：本底真空度为2*10-3pa，工作气压为2*10-2pa，首先辅源清洗al靶材2分钟，清洗时离子能量为300ev；然后主源溅射al靶材，离子能量500ev，溅射时间为10分钟。光刻工艺包括为涂胶、前烘、紫外曝光、显影、冲洗、后烘过程。其中，涂胶即旋涂光刻胶的转速为4000转/分钟，旋转20秒；前烘温度为85℃，时间10分钟；紫外曝光的时间为15秒；显影采用az1500显影液显影，时间为1分钟；采用电阻为18.2mω的纯净水进行冲洗；后烘温度为120℃，时间为18分钟。ar离子刻蚀的工艺：本底真空度为2*10-3pa工作气压为2*10-2pa，离子束能量为500ev。