CN103165173B - 一种压电力显微镜探针实现的高密度铁电数据存储方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电力显微镜（PFM）探针实现的高密度信息存储方法的方法。采用在导电的硅基底上旋涂偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物溶液成膜法制得样品，运用PFM探针在极化后的薄膜表面施加力场改变其压电相位以记录信息，而且这种信息在电场极化下得以擦除。这种方法在信息存储方面有很大的应用前途，可以很方便的进行信息存储并且为在纳米尺度下实现大容量高密度的数据存储提供了可能。与现有的存储方法相比，其实现的方式更加的简单而且成本较低，使用的范围更加的广阔。

Description

一种压电力显微镜探针实现的高密度铁电数据存储方法

技术领域

本发明涉及一种高密度信息存储的方法，具体为一种通过压电力显微镜探针实现的高密度铁电数据存储方法。

背景技术

随着信息技术的不断发展，人们对于信息的需求也是越来越大。而信息数据存储的方式也在不断地变化和丰富着。从最早的绳结记录信息，到今天的光盘、磁盘、硬盘、闪存等快速大容量的信息存储工具。而现在，光盘与磁盘的存储容量还是不能很好的满足人们的需求。如何提高信息存储的密度以及改善信息存储的方式是很重要的课题。

光盘和硬盘是当前最为主要的两种大容量存储工具。其信息存储与读取主要是通过光信号和磁信号并最终转变为能够被计算机识别的二进制代码。

1、通过光信号实现信息的存储与读取

这主要是通过光在存储材料的表面反射后信号的不同来读取信息。使得存储材料的表面出现信号不一的地方，可以是形貌的改变（凹与凸的变化），也可以是物质的极性改变。为了能够提高信息存储的密度，这就需要将信息存储的区块变小。这么做就提高了对光的分辨率要求。光的波长需要越来越短，才能够在很小的区域内准确的读取信息。而这一点是很难做到的，这就使得超大容量光盘不容易被广泛使用。

运用光信号的最主要的存储媒介是光盘。其主要是以激光束作为存储与读取的处理手段。从功能上光盘可以分为：只读光盘、可记录光盘和可擦写光盘。光盘的存储密度高，体积小，重量轻，空间占有率较小；信息的信噪比较高，信息存储可以保存很长时间，稳定性好。但是它也有很多的缺点，如信息存储速度慢，易受到机械损伤，单片存储的信息容量较小，实时性较差。

2、通过磁信号实现信息的存储与读取

现在使用的大容量信息存储设备很多都是硬盘等存储器，这种存储器的存储材料多使用磁性物质。存储信息就是通过外加磁场将磁性物质的磁极颠倒。由于磁极的不同，可以很好的代表二进制代码的“0”和“1”。但是这种信息存储方法使得大容量的硬盘的体积都很大，不利于日常使用。而在最近有研究人员发现，不使用外加磁场，单纯使用热量也能起到同样的效果。其具体方式是向磁性物质发射含有热量的激光脉冲，它在吸收热量后磁极也会颠倒，这会使存储速率大大提高。

大多数硬盘是由金属材料涂以磁性介质的盘片组成。每个磁性盘片两面都可以记录信息。硬盘具有很多的优点，如容量大、传输速度高；使用方便；稳定性较好。不过由于硬盘自身的特点，大部分都需要依托计算机进行信息存储，数据过于集中，但是在移动硬盘出现之后，这个问题便得到了解决。其次硬盘的结构过于复杂，这就会造成某一部分的损坏会使得整个硬盘被损坏。硬盘在使用中信息容易被更改或误删，有一定的风险，功耗与噪声都很大。

上述的存储材料以及信息存储方法在应用中都存在着一定的问题，特别是在实现高密度信息存储方面。如何提高信息存储的容量，降低信息存储的功耗是一个很重要的问题。

现今所使用的存储材料大多数是无机材料，这与无机材料的性质有很大的关系。无机物晶体结构排布有序规整，并且硬度及耐温性能都比较好，这就使得无机材料在现实中有很多的应用。作为存储器件的材料，有机材料有着无机材料所没有的优点。有机材料的种类比无机材料多很多，而且可以满足很多无机材料无法实现的功能，譬如柔性、容易弯曲等；有机材料易于机械加工，很容易得到所需的小尺度精细结构（存储单元），譬如尺寸为几十纳米的有序点阵便是通过纳米压印这种微结构加工方法得到的，甚至可以做到尺寸为几纳米的结构；而且由于压印模板的不同，所得到的结构也是不同的，可以是方形点阵、楔形点阵等等。这种尺寸为纳米级的点阵阵列使得有机材料在提高信息存储的密度方面有很大的应用。

铁电高分子材料在信息存储方面的研究是一个热点。在铁电高分子材料中，偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物（P(VDF-TrFE)）的存储性能很好。其极化存在两个状态，可以分别表示“0”与“1”。这样P(VDF-TrFE)材料便可以用作信息存储材料存储信息数据。P(VDF-TrFE)薄膜的信息存储功能已经在实验中得到证实。通过压电力显微镜的探针在P(VDF-TrFE)薄膜表面施加电压，在电信号的作用下薄膜中的铁电畴会发生翻转，从而使得相位发生变化；通过薄膜表面有信息记录与无信息记录部分电信号的不同，能够得到薄膜中所记录的信息。这种记录的信息在重新施加电场后又会被擦除掉。P(VDF-TrFE)薄膜易于加工，可以形成点的尺寸为纳米级的点阵阵列，信息存储密度已经达到75GB/inch²（XZChenetal, Adv.Funct.Mater.[J] .2013DOI:10.1002/adfm.201203042）；其信息存储密度在微加工方法改善后还可以提高；其在读写功耗方面相对于现有的存储形式有一定的降低。

综上所述，有机高分子材料在信息存储方面的应用前景非常广阔；相对于现有的无机存储介质，在存储方式上有着更多样的变化；在加工方法上也存在更多的方法，更加低的能耗，但目前现有的关于偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物（P(VDF-TrFE)）的存储性能的研究，均是通过施加电压来实现的。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电力显微镜（PFM）探针实现的铁电高密度数据存储方法，以实现力在信息存储中的应用。本发明使用的材料是铁电高分子，其用途广泛，可以作为信息存储介质、电容器、传感器。而本发明主要是通过运用PFM探针在铁电高分子材料上通过施加力场使得压电相位发生变化，信息得以存储在铁电高分子薄膜中，而且薄膜上记录的信息可以使用电场读取和擦除。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种通过压电力显微镜探针实现的高密度铁电数据存储方法，其特征在于，该方法通过PFM探针施加机械力在铁电高分子薄膜表面写出可读的电信号，即存储数据所使用的方式是用力场，且该电信号可以用电场擦除。

所述的存储方法具体为：1）在导电的硅基底上通过旋转涂装法制得表面起伏小且厚度为纳米级的铁电高分子薄膜；2）通过PFM扫描探针在铁电高分子表面施加电场进行预极化，预极化电压为-10V～10V；此步的目的是使其存储的信号先同一，方便观察。3）在经过预极化处理后的铁电高分子薄膜表面运用PFM的扫描探针施加力场，使得薄膜的相位发生变化；此步骤通过力场改变存储的信号，以实现高密度信息存储的“写入”过程。4）通过力“写入”过的区域通过PFM探针施加电场再次进行极化，薄膜表面的相位信息又会回到初始状态，所记录的信息也被擦除。

所述铁电高分子薄膜为偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物，即P(VDF-TrFE)。

所述P(VDF-TrFE)中偏氟乙烯与三氟乙烯的摩尔比例是68:32。

所述P(VDF-TrFE)的制备方法为：偏氟乙烯-三氟乙烯的共聚物P(VDF-TrFE)溶于2-丁酮溶剂配制成均一溶液，浓度为5-20mg/ml；吸取溶液滴在硅片基底上使用旋转涂装法旋涂成膜，膜厚度为20-150nm。

所述旋转涂装法转速为2000转每分钟，时间为40秒。

所述的步骤2具体为让探针带偏压在高分子薄膜表面扫描一次，实现预极化，所述偏压为-10V或者+10V。

所述的步骤3具体为撤去探针所带偏压，以一定恒力在高分子薄膜上扫描部分区域，所述恒力大小为200nN-400nN。

所述的步骤4具体为在步骤3后再以带的偏压再次扫描高分子薄膜，所述偏压为-10V或者+10V。

本发明所述的通过压电力显微镜探针实现的高密度铁电数据存储方法，可以用于信息数据的存储。采用施加力场的方法存储信息相比于现有的电信号、光信号与磁信号存储信息数据,通过力来实现有其突出的优势，机械力是一种比电更容易广泛应用模式，使用力来记录电信号可以使得存储器的应用范围得到扩大，因此本发明所述的方法具有更加简单、易操作、低成本等优点；而且其信息存储量可以通过控制探针的尺寸与精度来实现。其在现代的电子工业应用中有很大的潜力，可以作为一种新型的数据存储方式以实现大容量的信息存储。

附图说明

图1运用力场在铁电高分子上记录信息的示意图；

图2是在偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物薄膜表面用PFM施加力场得到的相位变化图；

图3是施加电场后相位恢复的示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

首先，配制偏氟乙烯-三氟乙烯的共聚物P(VDF-TrFE)溶液，偏氟乙烯与三氟乙烯的摩尔比为68:32，溶剂为2-丁酮，其浓度为10mg/mL；然后在镀金的硅片基底上使用旋转涂装法制成50nm厚的薄膜，转速为2000转每分钟，时间为40秒；然后运用NT-MDT公司的压电力显微镜（PFM）测试其存储性能，如图1所示，其主要步骤如下：首先进行铁电高分子薄膜的预极化处理，在薄膜上通过PFM探针使用-10V电压在薄膜上进行预极化处理；其次，运用PFM探针在薄膜表面上面半部分施加恒定的力场，力的大小为200nN，此时其相位发生变化并且能够保持这种状态，其相位图如图2所示，图上半部位是经过力场擦写的，其相位发生变化，这样信息便存储在了薄膜上。然后在薄膜上施加-10V的电场，其相位又会恢复为初始状态，相位如图3所示，图上部的相位恢复为原样，这样信息便被电信号擦除。

实施例2

本实施方式与实施例一的不同点是：偏氟乙烯-三氟乙烯的共聚物高分子溶液的浓度，其浓度为5mg/mL。运用相同的方法制备成薄膜样品，其厚度为20nm。在其表面同样可以使用恒定的力进行信息的存储并用电信号擦除数据，力的大小为300nN。

实施例3

本实施方式与实施例一的不同点是：偏氟乙烯-三氟乙烯的共聚物高分子溶液的浓度，其浓度为20mg/mL。运用相同的方法制备成薄膜样品，其厚度为150nm。在其表面同样可以使用恒定的力进行信息的存储并用电信号擦除数据，力的大小为400nN。

实施例4

本实施方式与实施例一、二、三的不同点是：其所用的基底是n型掺杂的硅片，运用旋涂法在n型硅片上制备偏氟乙烯-三氟乙烯的共聚物薄膜。并且使用恒定的力在薄膜表面进行信息的存储，使用电信号擦除记录的信息。

Claims (9)

1.一种通过压电力显微镜探针实现的高密度铁电数据存储方法，其特征在于，该方法通过PFM探针在经过电场预极化处理后的铁电高分子薄膜表面施加机械力以改变铁电材料的相位信息，即用力场写出可读的电信号，即存储数据所使用的方式是力场且仅为力场，且记录的该电信号可以用电场擦除。

2.根据权利要求1所述的通过压电力显微镜探针实现的高密度铁电数据存储方法，其特征在于，所述的存储方法具体为：1）在导电的硅基底上通过旋转涂装法制得表面起伏小且厚度为纳米级的铁电高分子薄膜；2）通过PFM扫描探针在铁电高分子表面施加电场进行预极化，预极化电压为-10V～10V；3）在经过预极化处理后的铁电高分子薄膜表面运用PFM的扫描探针施加力场；实现高密度信息存储的“写入”过程；4）通过力“写入”过的区域通过PFM探针施加电场再次进行极化，实现薄膜表面的相位信息回到初始状态，即所记录的信息也被擦除。

3.根据权利要求2所述的通过压电力显微镜探针实现的高密度铁电数据存储方法，其特征在于，所述铁电高分子薄膜为偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物，即P(VDF-TrFE)。

4.根据权利要求3所述的通过压电力显微镜探针实现的高密度铁电数据存储方法，其特征在于，所述P(VDF-TrFE)中偏氟乙烯与三氟乙烯的摩尔比例是68:32。

5.根据权利要求2或3所述的通过压电力显微镜探针实现的高密度铁电数据存储方法，其特征在于，所述P(VDF-TrFE)的制备方法为：偏氟乙烯-三氟乙烯的共聚物P(VDF-TrFE)溶于2-丁酮溶剂配制成均一溶液，浓度为5-20mg/ml；吸取溶液滴在硅片基底上使用旋转涂装法旋涂成膜，膜厚度为20-150nm。

6.根据权利要求5所述的通过压电力显微镜探针实现的高密度铁电数据存储方法，其特征在于，所述旋转涂装法转速为2000转每分钟，时间为40秒。

7.根据权利要求2所述的通过压电力显微镜探针实现的高密度铁电数据存储方法，其特征在于，所述的步骤2）具体为让探针带偏压在高分子薄膜表面扫描一次，实现预极化，所述偏压为-10V或者+10V。

8.根据权利要求2所述的通过压电力显微镜探针实现的高密度铁电数据存储方法，其特征在于，所述的步骤3）具体为撤去探针所带偏压，以一定恒力在高分子薄膜上扫描部分区域，所述恒力大小为200nN-400nN。

9.根据权利要求2所述的通过压电力显微镜探针实现的高密度铁电数据存储方法，其特征在于，步骤4）所述的通过PFM探针施加电场再次进行极化的具体方式为：在步骤3）所述信息写入过程后再以施加偏压的PFM探头再次扫描高分子薄膜，所述偏压为-10V或者+10V。