CN117926426A - 一种基于铌酸锂单晶高密度带电畴壁的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铌酸锂单晶高密度带电畴壁的制备方法。所述方法包括以下步骤：取铌酸锂单晶样品，通过紫外激光的辅助，在该单晶样品中预极化出单个六角形的畴结构；确定畴结构在单晶中的位置，在单晶样品两侧制备电极；铌酸锂单晶样品的电极与静电计相连接形成闭合回路，通过两次施加电压产生高密度带电畴壁。本发明通过二次施加电压方法对铌酸锂单晶样品的六角形畴结构进行加压增强，得到高密度带电畴壁，通过控制电极的面积大小，可以控制高密度带电畴壁的产生范围，通过控制两次电压施加的大小和持续时间的长短可以调节高密度带电畴壁产生的电流大小。该方法易于操作并且成本低廉，可以快速制备出铌酸锂单晶的高密度带电畴壁。
Description
技术领域
本发明涉及铁电材料制备领域，具体涉及一种基于铌酸锂单晶高密度带电畴壁的制备方法。
背景技术
畴结构是铁电材料中自发极化取向相同的区域，广泛应用于铁电存储、电容器、传感器、制动器和新型畴或畴壁动力学及生物突触器件当中。铌酸锂材料具有丰富的光电、压电和非线性光学等优势，其晶体结构属于三方晶系，晶体形状为六角柱状。传统上通过紫外光的辅助可降低铌酸锂矫顽场，结合外加电场作用可形成六角形的畴结构，又由于铌酸锂是一种单轴铁电畴，初始畴结构的畴壁呈180°，因此通常是电中性不导电的。在铌酸锂单晶两侧沉积铬电极，再施加外电场可以倾斜该六角形畴的畴壁，进而形成可导电的畴壁并应用于电子器件的设计和开发中。然而实际中如果要在一定面积单晶内形成更多的导电畴壁，受到紫外激光极化步骤的影响，后极化的畴总会对先极化的六角形畴造成影响，致使先极化的畴扩大或合并，导致单位面积内畴壁数量增加受限。因此，亟需一种在单位面积内增大畴壁密度并可提升电导的畴结构制备方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于铌酸锂单晶高密度带电畴壁的制备方法，能够在单位面积内可控地增加畴结构数量并产生高电导。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明提供了一种基于铌酸锂单晶高密度带电畴壁的制备方法，包括以下步骤：
(1)取铌酸锂单晶样品，通过紫外激光的辅助，在该单晶样品中预极化出单个六角形的畴结构；
(2)确定畴结构在单晶中的位置，在单晶样品两侧制备电极；
(3)将铌酸锂单晶样品的电极与静电计相连接形成闭合回路，通过两次施加电压产生高密度带电畴壁。
在本发明的一些具体实施例中，所述铌酸锂单晶样品为5mol％氧化镁掺杂的铌酸锂单晶样品；在本发明中，其他掺杂条件的铌酸锂单晶样品也可以实现高密度带电畴结构的制备。
优选地，所述铌酸锂单晶样品的厚度为10-400μm。
优选地，步骤(1)中，标记铌酸锂单晶极化的初始方向，以便后续加压；将标记后的单晶片分别在丙酮、乙二醇和等离子清洗中清洁干净，得到干净的铌酸锂单晶，然后再进行预极化步骤。
优选地，步骤(1)中，所述预极化包括以下步骤：将铌酸锂单晶样品放入可充放液体盐水电极的透明绝缘装置中，在铌酸锂单晶样品两侧通入液体盐水，通过导线将单晶样品两侧的液体盐水电极分别与高压放大器相连，将紫外激光垂直照射铌酸锂单晶样品中心，调节激光光路及激光在样品上的对焦和强度，施加高电压对样品进行极化，得到初步的六角形畴结构。
进一步优选地，步骤(1)中，所述施加高电压为100-900V，施加电压的时间为10-90s；再进一步优选地，步骤(1)中，所述施加高电压为700-900V。
优选地，步骤(2)中，使用热蒸镀方法并借助模板的辅助，在铌酸锂单晶样品畴结构的两侧沉积尺寸一致的铬电极。
优选地，步骤(3)中，形成闭合回路后，施加8-12V的电压测试畴壁初始电流，确保样品与静电计之间的导通情况，然后再进行后续两次施加电压。
优选地，步骤(3)中，所述两次施加电压的首次施加的电压为400-600V，通过静电计电流值判断畴壁的导电情况，得到导电的六角形畴结构；然后再次施加700-900V的电压，观察静电计中电流，若已经达到饱和，则可停止施加电压，高密度畴结构已经形成。
进一步优选地，步骤(3)中，首次施加电压的时间为40-60s，再次施加电压的时间为20-30s。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过二次施加电压方法对铌酸锂单晶样品的六角形畴结构进行加压增强，进而得到了高密度带电畴壁，通过控制电极的面积大小，可以控制高密度带电畴壁的产生范围，通过控制两次电压施加的大小和持续时间的长短可以调节高密度带电畴壁产生的电流大小。该方法易于操作并且成本低廉，可以快速制备出铌酸锂单晶的高密度带电畴壁。
附图说明
图1为基于铌酸锂单晶高密度带电畴壁制备方法的步骤流程图；
图2为实施例的铌酸锂六角形畴结构预极化方法的示意图；
图3为本发明实施例的透明绝缘元件的实物图；
图4为实施例的高密度带电畴壁制备方法的示意图；
图5为实施例的初始六角形畴结构和两次加压增强后得到的高密度带电畴壁对比图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到。
如图1所示，本发明提供了一种基于铌酸锂材料高密度带电畴壁的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)基于铌酸锂样品的准备
具体地，本发明使用5mol％氧化镁掺杂，厚度为200μm的铌酸锂单晶圆片。
S1.1、通过切割形成5mm×5mm尺寸的铌酸锂单晶片；
S1.2、将切割后的单晶片极化朝向进行标记；
S1.3、将标记后的单晶片分别在丙酮、乙二醇和等离子清洗中清洁干净，即得到初步的铌酸锂单晶样品。
(2)参照图2，对铌酸锂样品进行预极化处理，得到初始的六角形畴结构
S2.1、铌酸锂样品两侧面分别被液体电极覆盖，并与高压仪器相连接。
具体地，将铌酸锂单晶薄片放入自制可充放液体盐水电极的透明绝缘元件(如图3)中，用橡胶垫圈隔绝两侧液体电极，通过导线将单晶两侧的液体电极分别与高压放大器相连；
图3为本发明实施例的透明绝缘元件的实物图，透明绝缘元件分为a，b两个部分，在实际操作过程中，将铌酸锂单晶薄片放在a图的中心小的橡胶垫圈上，然后将b图所示的结构盖在上面，b图中的小的橡胶垫圈与a图中的对应，将装置夹紧，透明装置有外接小型管道可以用针管注入盐水作为液体电极，在装置两侧的液体电极引出导线。
S2.2、调节紫外光光路并汇聚、对焦，垂直照射至该透明元件中心，即铌酸锂样品中心；
S2.3、施加电压，并通过显微镜同时观察六角形畴结构的生长情况，根据所需的畴结构的尺寸和大小控制施加电压的大小(100-900V)和时间(10-90s)，得到初步预极化的铌酸锂单晶样品；
(3)通过偏振光学显微镜确定该畴结构在单晶中的位置并标记，应用热蒸镀方法在该单晶样品两侧沉积所需面积的铬电极
S3.1、应用偏振光学显微镜确定此六角形畴结构在晶体中的具体位置；
具体地，通过偏振光学显微镜，转动偏振片可以观察到畴结构的位置，通过拍照功能记录畴结构在晶体中的具体位置，或者直接通过电极沉积模板覆盖样品，置留出电极覆盖畴结构的位置；
S3.2、应用热蒸镀方法在铌酸锂晶体两侧沉积铬电极；
具体地，将单晶样品放置沉积腔内，通过不同的模板可以控制沉积电极的形状和尺寸，通过沉积时间可以控制电极厚度，目前为止验证铬材料为铌酸锂电极制备及后续操作步骤的最佳选择。
(4)将沉积好电极的样品与静电计相连接形成闭合回路，通过两次施加电压方法产生高密度带电畴壁
S4.1、通过导线将样品两侧的电极与静电计相连接形成闭合回路；
S4.2、应用静电计(Keithley 6517B，Tektronix)施加电压测得该六角形畴结构的初始电流值并记录；
S4.3、通过施加高电压对畴结构的畴壁进行倾斜，通过静电计电流值判断畴壁的导电情况，此时应得到导电的六角形畴结构；
S4.3.1、参照图5，可以通过二次谐波显微镜对畴结构的三维形态进行观察；
S4.3.2、再次通过静电计，施加更高的电压和更长的电压持续时间；
具体地，观察静电计中电流的示数，判断电流值是否已经达到饱和，若已经达到饱和，则可停止施加电压；
S4.3.3、静置样品5-10分钟后，测试样品稳定后的电流值大小；
S4.3.4、再次通过二次谐波显微镜观察畴结构的三维形态，参照图5的对比图，即可得到铌酸锂单晶样品中的高密度带电畴壁。
实施例1
将5mol％氧化镁掺杂的铌酸锂单晶样品切割成5mm×5mm的单晶片，用丙酮、乙二醇和等离子清洗等步骤将其清洁干净，接着将此单晶片置于自制可充放液体盐水电极的透明绝缘元件中，用橡胶垫圈隔绝两侧液体电极，并通过导线将单晶两侧的液体电极分别与高压放大器相连。调节紫外光激光光路，将激光光斑汇聚对焦并置于铌酸锂单晶样品中心。施加约800V左右的电压，随后通过偏振光学显微镜观察铌酸锂单晶样品中产生的六角形畴结构的外形和尺寸大小。应用热蒸镀方法并借助模板的辅助，在单晶样品畴结构的两侧沉积尺寸一致的铬电极。通过导线将铬电极与静电计的正负极相连接，初次施加10V的电压测试畴壁初始电流，确保样品与静电计之间的导通情况。随后施加大约500V左右的电压观察静电计的电流值大小，使几乎电中性的畴结构增强为导电畴结构。此过程后可通过二次谐波显微镜观察畴结构的形态。随后继续对单晶样品施加更高的电压(约800V)和更长的持续时间，同时观察静电计中电流的变化情况，若静电计的电流值稳定在一个固定值，则判断高密度畴结构已经形成。此方法得到的高密度带电畴壁同样可经二次谐波显微镜观察其形态，此时已经形成大量的条纹状畴结构，畴壁密度和数量远高于单个六角形畴结构，样品的电导可以达到几个nA数量级。
另外，尝试通过改变铌酸锂单晶的厚度在低于200μm或者高至300μm，都能应用此方法获得高密度带电畴壁。
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于铌酸锂单晶高密度带电畴壁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取铌酸锂单晶样品，通过紫外激光的辅助，在该单晶样品中预极化出单个六角形的畴结构；
(2)确定畴结构在单晶中的位置，在单晶样品两侧制备电极；
(3)将铌酸锂单晶样品的电极与静电计相连接形成闭合回路，通过两次施加电压产生高密度带电畴壁。
2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂单晶高密度带电畴壁的制备方法，其特征在于，所述铌酸锂单晶样品的厚度为10-400μm。
3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂单晶高密度带电畴壁的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，标记铌酸锂单晶极化的初始方向，以便后续加压；将标记后的单晶片分别在丙酮、乙二醇和等离子清洗中清洁干净，得到干净的铌酸锂单晶，然后再进行预极化步骤。
4.根据权利要求3所述的基于铌酸锂单晶高密度带电畴壁的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述预极化包括以下步骤：将铌酸锂单晶样品放入可充放液体盐水电极的透明绝缘装置中，在铌酸锂单晶样品两侧通入液体盐水，通过导线将单晶样品两侧的液体盐水电极分别与高压放大器相连，将紫外激光垂直照射铌酸锂单晶样品中心，调节激光光路及激光在样品上的对焦和强度，施加高电压对样品进行极化，得到初步的六角形畴结构。
5.根据权利要求4所述的基于铌酸锂单晶高密度带电畴壁的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述施加高电压为100-900V，施加电压的时间为10-90s。
6.根据权利要求1所述的基于铌酸锂单晶高密度带电畴壁的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，使用热蒸镀方法并借助模板的辅助，在铌酸锂单晶样品畴结构的两侧沉积尺寸一致的铬电极。
7.根据权利要求1所述的基于铌酸锂单晶高密度带电畴壁的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，形成闭合回路后，施加8-12V的电压测试畴壁初始电流，确保样品与静电计之间的导通情况，然后再进行后续两次施加电压。
8.根据权利要求7所述的基于铌酸锂单晶高密度带电畴壁的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述两次施加电压的首次施加的电压为400-600V，通过静电计电流值判断畴壁的导电情况，得到导电的六角形畴结构；然后再次施加700-900V的电压，观察静电计中电流，若已经达到饱和，则可停止施加电压，高密度畴结构已经形成。
9.根据权利要求8所述的基于铌酸锂单晶高密度带电畴壁的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，首次施加电压的时间为40-60s，再次施加电压的时间为20-30s。
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