CN108469315A - 一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元，其包括第一绝缘层，第一绝缘层上有外延铁电薄膜，外延铁电薄膜上有第二绝缘层，在外延铁电薄膜的左侧有第一电极，在外延铁电薄膜的右侧有第二电极；其中，外延铁电薄膜内有平行于第一绝缘层的平面铁电畴壁，平面铁电畴壁两侧的薄膜极化均指向畴壁，外延铁电薄膜内部的氧空位被限制在畴壁附近。该压力传感器单元在绝缘层处受到压力变化时，铁电薄膜中极化会变化，引起铁电畴壁处束缚氧空位的能力改变和畴壁导电性能的改变，从而可表征压力的大小。该压力传感器单元可微型化能力强、集成性好，既可探测纳米尺寸接触的压力，也可通过集成探测大面积接触的压力以及压力分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元，可用于探测纳米尺寸接触的压力，也可通过集成探测大面积接触的压力以及压力分布。
背景技术
压力传感器应用范围十分广泛，是商用传感器的一个大类，其传感器机理也十分丰富，包括电磁力式、光电式、液压式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等多种。在众多压力传感器中，基于电阻变化的应力/应变传感器被普遍采用，这类传感器测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，其信号处理方便，而且易于集成，所以在数字化的仪器仪表领域具有广阔的应用前景。传统的电阻式压力传感器工作原理是基于应变效应制作的，其传感的载体材料即金属或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种传感器往往灵敏度较低，测量精度非常有限，具有一定的响应延迟，体积较大，无法实现器件的微型化，不能满足测量微小区域压力测试的需要。
发明人发现，在钛酸锶等绝缘材料上外延生长铁电薄膜，并在铁电薄膜上再外延生长一层绝缘材料时，若两层绝缘材料的晶格常数适合，均略小于铁电薄膜的晶格常数，那么在制备完成以后，再铁电薄膜内部会形成指向中间平面的极化畴结构，而不同畴之间的过渡区域称为“畴壁”。指向铁电薄膜内部中间平面的极化形成 “头对头”的铁电畴壁，而这种结构会使薄膜内部的氧空位较为集中地聚集在铁电畴壁处，形成铁电畴壁氧空位电子气，类似于导电平面。当在铁电畴壁氧空位电子气相对的两端各接一个电极，并施加定电压使其中有电流通过。当铁电薄膜的两侧绝缘层，受到压力的挤压时，铁电薄膜的晶格常数会发生变化，晶格常数的变化会引起铁电薄膜极化大小的变化，极化大小的改变引起铁电畴壁对氧空位限制能力的大小，致使畴壁氧空位电子气的电导特性发生改变，从而实现了通过电流大小来表征压力大小的目的。由于铁电畴壁平面的尺寸可以从纳米级别到微米甚至毫米级别变化，因此具有更宽广的尺寸可调性，同时该种压力传感器能耗极小，反应快速灵敏，能够在制备过程中自发形成铁电畴壁氧空位电子气界面，具有制备简易的特性，通过控制器件的集成密度，可控制其压力、压强测试范围极其宽广，因此该类型压力传感器具有广阔的应用前景。。
发明内容
为此本发明的目的在于提供一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元。
本发明采用以下技术方案：
本发明涉及了一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元，包括第一绝缘层，第一绝缘层上有外延铁电薄膜，外延铁电薄膜上有第二绝缘层，在外延铁电薄膜的左侧有第一电极，在外延铁电薄膜的右侧有第二电极。
所述的外延铁电薄膜外延于第一绝缘层和第二绝缘层，外延铁电薄膜中间存在平行于第一绝缘层的一层平面铁电畴壁，平面铁电畴壁两侧的铁电薄膜极化均指向铁电畴壁，铁电畴壁将外延铁电薄膜内部的氧空位限制在铁电畴壁附近。
所述的第一绝缘层为钛酸锶、掺杂钛酸锶、白云母、金云母、氧化铪、掺杂氧化铪、氧化硅、蓝宝石、氧化镁、氧化铝、氧化锆、铁酸钴中的一种或者几种，第一绝缘层厚度为10nm-1mm之间。
所述的外延铁电薄膜是锆钛酸铅、铁酸铋、掺杂铁酸铋、铁酸镓、掺杂铁酸镓、铁酸镥、掺杂铁酸镥、钛酸钡或者掺杂钛酸钡中的一种材料构成，外延铁电薄膜厚度为2nm-10nm之间。
所述的第二绝缘层为钛酸锶、掺杂钛酸锶、白云母、金云母、氧化铪、掺杂氧化铪、氧化硅、蓝宝石、氧化镁、氧化铝、氧化锆、聚氯乙烯、石英、铁酸钴中的一种或者几种构成，第二绝缘层厚度为2nm-100nm之间。
所述的第一电极为钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡、二硫化钼、硫化锡、硫化锗、硫化钨、硫化镓、硫化镉、金、银、铜、铝、铂中的一种或者几种构成。
所述的第二电极为钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡、二硫化钼、硫化锡、硫化锗、硫化钨、硫化镓、硫化镉、金、银、铜、铝、铂、铁、锡中的一种或者几种构成。
本发明的有益效果
本发明基于特殊结构的铁电薄膜器件，包括第一绝缘层，第一绝缘层上有外延铁电薄膜，外延铁电薄膜上有第二绝缘层，在外延铁电薄膜的左侧有第一电极，在外延铁电薄膜的右侧有第二电极。利用薄膜外延生长过程中铁电薄膜材料与绝缘层材料之间的晶格失配所引起的铁电薄膜内部自发极化形成指向铁电薄膜内部中间平面的“头对头”畴壁区域，由于畴壁区域与铁电薄膜内部氧空位相互的固定作用，致使氧空位形成了能够导电的氧空位电子气，在两侧的绝缘层受到压力作用时，氧空位电子气的平面导电能力就会改变。在第一电极和第二电极之间加一个稳压电场，并在外部读取电流，当该器件受压力作用时，电流值将会改变，通过电流值可以转换为压力值。由于铁电畴壁平面的尺寸可以从纳米级别到微米甚至毫米级别变化，因此具有更宽广的尺寸可调性，同时该种压力传感器能耗极小，反应快速灵敏，能够在制备过程中自发形成铁电畴壁氧空位电子气界面，具有制备简易的特性，通过控制器件的集成大小，可控制其压力、压强测试范围及其宽广，因此该类型压力传感器具有广阔的应用前景。尤其是，该类型器件可以在实现纳米尺寸的器件化，能够实现器件的微型化，可以测试纳牛(10-9牛顿)级别的大小，可以实现微小区域压力微小压力测试的需要。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元示意图，11为绝缘层、12为铁电薄膜、13为绝缘层、14为第一电极、15为第二电极。
图2为“绝缘层/铁电薄膜/绝缘层”结构刻蚀以后的目标结构。
图3为一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元中铁电薄膜内部极化及畴壁结构示意图，12为铁电薄膜，16为铁电薄膜内部极化方向，17为铁电畴壁的位置及氧空位聚集所处的位置。
图4 为一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元的压力与电流的测试结果，横坐标Pressure为压力，纵坐标Current为电流的大小。
具体实施方式
实施例1
SrTiO3/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/SrTiO3构成三明治型的“绝缘层/铁电薄膜/绝缘层”结构，第一电极为Au，第二电极为Au，其结构如图1所示。
a)将SrTiO3衬底上清洗干净并干燥。
b)用脉冲激光分子束外延沉积技术在SrTiO3绝缘衬底上(SrTiO3厚度为1mm)制备5nm厚的Pb(Zr0.52Ti0.48)O3铁电薄膜，构成Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/SrTiO3异质结。
b) 之后用脉冲激光分子束外延沉积技术在Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/SrTiO3上制备10nm厚的SrTiO3绝缘薄膜，之后刻蚀形成如图2所示结构。
d)用离子溅射仪在刻蚀以后的器件上镀Au薄膜，并在此刻蚀形成如图1所示结构，器件制备完成。
图3为铁电薄膜内部极化方向以及铁电畴壁的位置示意图，氧空位主要聚集在铁电畴壁的附近，为铁电畴壁附近的极化所限制。图4为压力传感器单元尺寸在10nm级别时(铁电畴壁平面在10nm尺寸)，在第一和第二电极间加载1V的电压时，在外部测试得到的电流随压力的测试结果图。
实施例2
SrTiO3/BaTiO3/SrTiO3构成三明治型的“绝缘层/铁电薄膜/绝缘层”结构，第一电极为Cu，第二电极为Cu，主要流程与实施例1相同，不同之处为沉积的铁电薄膜为6nm厚的BaTiO3薄膜，第一、二电极均为Cu。
实施例3
SrTiO3/LuFeO3/SrTiO3构成三明治型的“绝缘层/铁电薄膜/绝缘层”结构，第一电极为Cu，第二电极为Cu，主要流程与实施例1相同，主要不同之处为沉积的铁电薄膜为10nm厚的LuFeO3薄膜。
实施例4
MgO/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/MgO构成三明治型的“绝缘层/铁电薄膜/绝缘层”结构，第一电极为Au，第二电极为Au，主要流程与实施例1相同，主要不同之处为沉积的绝缘层所使用的材料是MgO。
实施例5
Al2O3/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/MgO构成三明治型的“绝缘层/铁电薄膜/绝缘层”结构，第一电极为Au，第二电极为Au，主要流程与实施例1相同，主要不同之处为第一绝缘层所使用的材料是Al2O3，且Al2O3的厚度为1mm。
实施例6
SrTiO3/BaTiO3/SrTiO3/Si构成三明治型的“绝缘层/铁电薄膜/绝缘层”结构，第一电极为Cu，第二电极为Cu，主要流程与实施例1相同，不同之处为沉积的铁电薄膜为6nm厚的BaTiO3薄膜，第一、二电极均为Cu，第一绝缘层SrTiO3生长在Si衬底上，第一绝缘层的厚度仅有10nm。
Claims (9)
1.本发明涉及了一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元，包括第一绝缘层，第一绝缘层上有外延铁电薄膜，外延铁电薄膜上有第二绝缘层，在外延铁电薄膜的左侧有第一电极，在外延铁电薄膜的右侧有第二电极；其特征在于，所述外延铁电薄膜外延于第一绝缘层和第二绝缘层，外延铁电薄膜中间存在平行于第一绝缘层的一层平面铁电畴壁，所述平面铁电畴壁两侧的铁电薄膜极化均指向铁电畴壁，所述铁电畴壁将外延铁电薄膜内部的氧空位限制在铁电畴壁附近。
2.如权利要求1所述的一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元，所述的第一绝缘层为钛酸锶、掺杂钛酸锶、白云母、金云母、氧化铪、掺杂氧化铪、氧化硅、蓝宝石、氧化镁、氧化铝、氧化锆、铁酸钴中的一种或者几种。
3.如权利要求2所述的一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元，其特征在于，所述的第一绝缘层厚度为10nm-1mm之间。
4.如权利要求1所述的一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元，其特征在于，所述的外延铁电薄膜是锆钛酸铅、铁酸铋、掺杂铁酸铋、铁酸镓、掺杂铁酸镓、铁酸镥、掺杂铁酸镥、钛酸钡或者掺杂钛酸钡中的一种材料构成。
5.如权利要求4所述的一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元，其特征在于，所述的外延铁电薄膜厚度为2nm-10nm之间。
6.如权利要求1所述的一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元，其特征在于，所述的第二绝缘层为钛酸锶、掺杂钛酸锶、白云母、金云母、氧化铪、掺杂氧化铪、氧化硅、蓝宝石、氧化镁、氧化铝、氧化锆、聚氯乙烯、石英、铁酸钴中的一种或者几种构成。
7.如权利要求6所述的一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元，其特征在于，所述的第二绝缘层厚度为2nm-100nm之间。
8.如权利要求1所述的一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元，其特征在于，所述的第一电极为钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡、二硫化钼、硫化锡、硫化锗、硫化钨、硫化镓、硫化镉、金、银、铜、铝、铂中的一种或者几种构成。
9.如权利要求1所述的一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元，其特征在于，所述的第二电极为钌酸锶、掺杂钛酸锶、镧锶锰氧、掺铌钛酸锶、氧化铟锡、二硫化钼、硫化锡、硫化锗、硫化钨、硫化镓、硫化镉、金、银、铜、铝、铂、铁、锡中的一种或者几种构成。
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