DE4018308A1

DE4018308A1 - Verfahren zum lokalen polen und lokalen messen der polungsrichtung von piezoelektrischen filmen zur digitalen datenspeicherung durch auflegen einer lokalen elektrode mit kontrollierter auflagekraft

Info

Publication number: DE4018308A1
Application number: DE19904018308
Authority: DE
Inventors: Peter Guethner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-06-08
Filing date: 1990-06-08
Publication date: 1991-12-12

Description

Stand der Technik:

Polare piezoelektrische Filme lassen sich in zwei mögliche Rich tungen (senkrecht zum Film aufwärts oder abwärts) polen, indem ein Feld, das größer als die Polungsfeldstärke ist, angelegt wird. Da diese Polungsrichtung auch ohne äußere Felder stabil bleibt, eignet sich diese Eigenschaft zur digitalen Daten speicherung.

Großflächige Polungsmethode sind von der Kondensatorpolung und der Koronapolung bekannt (1). Zur Datenspeicherung ist jedoch lokales Polen und lokales Auslesen der Polungsrichtung notwen dig.

Von Schilling et. al. (2) ist eine Methode zur lokalen Polung mit Elektronenstrahlen bekannt. Dort wird ein PVDF Film mit einem fokussierten Elektronenstrahl eines Rasterelektronen mikroskops bestrahlt. Die auftreffenden Elektronen erzeugen lokal ein hohes Feld, das den Film polt. Durch Erwärmen des Films entstehen in den gepolten Bereichen Oberflächenladungen, die einen Kontrast im REM erzeugen. Dadurch ist auch das Ausle sen der gespeicherten Daten möglich. Da nur Elektronenstrahlen zur Verfügung stehen, ist das Polen nur in einer Richtung mög lich, es können also keine Daten gelöscht werden. Außerdem ist das Verfahren sehr aufwendig, da ein REM benötigt wird (Vakuum, Hochspannungen . . .).

Von Dransfeld und Kämpf (3) ist ein weiteres Verfahren zur Datenspeicherung in PVDF-Filmen bekannt. Dort werden auf beiden Oberflächen des Films feine Metallstreifen aufgedampft. Die Streifenrichtung auf Ober- und Unterseite ist um 90° gedreht. Wenn man eine hohe Spannung zwischen einem Streifen der Obersei te und einem Streifen der Unterseite anlegt, wird nur der Kreu zungspunkt gepolt. Zum Auslesen der Informationen wird der Film erwärmt und die so erzeugten Oberflächenladungen werden über die Metallstreifen abgeführt und gemessen. Durch die Kapazität der Kreuzungspunkte geht die Ladung nach überstreichen weniger Kreuzungspunkten verloren und müßte verstärkt werden. Dieses Problem ist von der Halbleitertechnologie bekannt, doch läßt sich auf einem elektronischen Schaltkreis problemlos ein Ver stärker integrieren. Auf einem PVDF Film ist dies nicht möglich.

Von Glatz-Reichenbach et. al (4) ist eine Methode zum lokalen Messen der Polungsrichtung mit dem Rastertunnelmikroskop (STM) bekannt. Dort wird ein PVDF-Film beidseitig mit Metall bedampft und dann mit dem STM untersucht. Legt man nun eine Spannung zwischen den Metallelektroden an, so ändert der Film je nach Polungsrichtung seine Dicke, was mit dem STM mit hoher lateraler Auflösung gemessen werden kann. Ein lokales Polen des Films ist hier nicht möglich.

Eine Kombination des Verfahrens von Dransfeld und Kämpf mit dem Verfahren von Glatz-Reichenbach ist naheliegend. Da dort das Schreiben und das Lesen völlig getrennt wäre, ist die Zuordnung von geschriebenen zu gelesenen Daten technisch schwer realisier bar. Außerdem kann die Tunnelspitze nur über leitfähige Ober flächen gerastert werden, so daß das Datenlesen nur auf einem Leiterstreifen möglich wäre.

Zur Abbildung von nichtleitenden Oberflächen mit sehr hoher lateraler Auflösung ist von Binnig et. al. (5) das "Atomic Force Microscope" bekannt. Dort wird eine feine Spitze an eine weiche Balkenfeder befestigt. Bringt man die Spitze in die Nähe einer Oberfläche, so wird die Feder durch die Wechselwirkungskräfte zwischen Spitze und Oberfläche verbogen. Die Verbiegung wird durch einen Tunnelkontakt auf der Rückseite der Feder gemessen. Der Abstand zwischen Spitze und Probe wird nun so geregelt, daß die Federverbiegung und damit die Auflagekraft konstant bleibt. Rastert man nun die Spitze über die Probe, erhält man von den Regelsignalen ein Oberflächenprofil der Probe. Als Wechselwir kungskräfte sind Van-der-Waals, elektrostatische und magnetische Kräfte bekannt. Neuere Arbeiten benutzen optische Methoden zur Bestimmung der Federverbiegung.

Beschreibung der Erfindung:

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur digitalen Daten speicherung in piezoelektrischen Filmen, das die bisher bekann ten Verfahren wesentlich verbessert. Für den Einsatz piezoelek trischer Filme als Datenspeicher sind zwei Punkte wichtig:

1. Speichern von Daten

Die zu speichernden Informationen werden in digitaler Weise ge speichert. Die Polungsrichtung, senkrecht zum piezoelek trischen Filme aufwärts oder abwärts, beschreibt die zwei mög lichen Zustände. Der piezoelektrische, polare Film wird durch Anlegen einer Spannung (< Polungsfeldstärke) gepolt. Je nach Polarität des Polungsfeldes wird eine der zwei möglichen Polungsrichtungen eingespeichert. Geeignete Filme sind dünne Folien aus PVDF oder P(VDF-TrFR).

Um das Anlegen eines Polungsfeldes zu ermöglichen, wird der piezoelektrische Film (2) auf eine leitfähige Unterlage (1) auf gebracht. Die Gegenelektrode (3) wird dann auf den piezoelektri schen Film aufgelegt (Abb. 1). Mit dieser Anordnung erhält man einen Kondensator, der für die bekannte Kondensatorpolung benutzt wird.

Zum Erreichen der benötigte hohen Speicherdichte, müssen kleine Bereiche des piezoelektrischen Films lokal gepolt werden. Des halb wird als Gegenelektrode eine feine Spitze benutzt. Da die Spitze leitfähig sein muß, eignet sich besonders ein durch mechanisches Verformen oder chemisches Ätzen zu einer Spitze verformter Metalldraht. Die Größe eines Datenbits wird durch den kleinstmöglichen polbaren Bereich beschränkt. Dieser Bereich wird zum einen durch die Größe und Form der Spitze und außerdem durch die Dicke des piezoelektrischen Films beschränkt. Es wurden bereits piezoelektrische Polymerfilme mit einer Dicke von 0,1 µm hergestellt. Benutzt man zum Polen eine geätzte Metall spitze mit einem Krümmungsradius von 10 nm, so erhält man eine Speicherdichte von etwa 10 GBit pro cm². Um mit dieser Spitze nicht den piezoelektrischen Film oder die Spitze selbst zu beschädigen, muß die Auflagekraft auf einen sehr kleinen Wert konstant gehalten werden.

Das Auflegen einer feinen Spitze auf eine Probe mit einer kontrollierten Auflagekraft ist vom Kraftmikroskop (5) bekannt. Eine Kraftgenauigkeit von 10^-10 N ist möglich. Beim Kraftmikros kop (AFM) wird eine feine Spitze (1) auf einer weichen Feder (2) befestigt. Die Kraft (3) zwischen Spitze und Probe wird dann durch die Verbiegung der Feder bestimmt. Die Verbiegung der Feder kann durch einen Tunnelkontakt gemessen werden. Vorteil hafter ist jedoch das Messen der Verbiegung durch ein optisches Interferometer (5) oder durch die Ablenkung eines Laserstrahles. Der Abstand zwischen Spitze und Probe wird dann z. B. durch piezoelektrische Stellglieder (6) so verändert, daß immer eine konstant Verbiegung der Feder eingehalten wird, und so auch die Auflagekraft konstant bleibt (Abb. 2).

Bewegt man die Spitze zweidimensional über den piezoelektrischen Film, so kann man viele kleine Domänen polen und erhält so eine hohe Speicherkapazität.

2. Auslesen der Daten

Zum Auslesen der gespeicherten Informationen muß die lokale Polungsrichtung des piezoelektrischen Films bestimmt werden. Dazu eignen sich zwei Eigenschaften gepolter piezoelektrischer Materialien. 1. Legt man ein elektrisches Feld an den Piezofilm an, so ändert sich die Dicke des Films. Ob er dicker oder dünner wird, hängt von der Polungsrichtung des Filmes und der Polari tät der angelegten Spannung ab. 2. Drückt man auf den Film so entsteht durch die Verformung eine elektrische Spannung, die über Elektroden abgegriffen werden kann. Die Polarität der Span nung hängt wieder von der Polungsrichtung des piezoelektrischen Films ab. So erhält man zwei unterschiedliche Möglichkeiten, die Polungsrichtung zu bestimmen.

Zur Durchführung dieser Messung wird wieder die oben beschrie bene Spitzenanordnung benutzt. Dies ist notwendig, um sehr schnell vom Datenschreiben zum Datenlesen zu wechseln (Random Access Memory RAM).

Im 1. Fall dient die Spitze zusammen mit der leitfähigen Unter lage zum Anlagen des elektrischen Feldes. Ändert sich nun die Dicke des Filmes, so ändert sich dadurch auch die Auflagekraft der Spitze. Um die konstante Auflagekraft beizubehalten muß die Spitze entsprechend bewegt werden. Diese Bewegung entspricht exakt der Dickenänderung des Piezofilms.

Im 2. Fall benutzt man die Spitze, um auf die Probe zu drücken. Die Regelung der Auflagekraft wird so verändert, daß unter schiedlich starke Kräfte möglich sind. Man erhöht nun die Kraft mit der die Spitze auf den Piezofilm drückt und benutzt dann die Spitze und die leitende Unterlage um die durch den Piezoeffekt erzeugt elektrische Spannung abzugreifen.

In beiden Fällen ist es vorteilhaft, das angelegte Feld oder die zusätzliche Kraft zu modulieren. Dann ist es möglich, mit einem Lockin-Verstärker ein periodisches Signal (Bewegung der Spitze oder elektrische Spannung) zu messen, was die Empfindlichkeit wesentlich erhöht.

Zur technische Realisierung wird die eingegebene digitale Speicheradresse in eine X-Y-Position umgerechnet und die X- und Y-Werte werden dann als Analogspannungen ausgegeben. Piezoelek trische Stellglieder bewegen die Spitze an diese Position. An dieser Position kann nun je nach Wunsch eine digitale Informa tion gespeichert oder gelesen werden.

Literaturhinweise:

1) z. B. G.M. Sessler; J. Acoust. Soc. Am. 70, 1596 (1981)
2) D. Schilling, K. Dransfeld; Ferroelectrics 81, 377 (1988)
3) G. Kämpf; private Mitteilung
4) J. Glatz-Reichenbach, Li Jie, H. Birk, E. Schreck, K. Dransfeld; to be published
5) G. Binnig, C.F. Quate, Ch. Gerber; Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986)

Beschreibung der Zeichnungen Abb. 1

Der piezoelektrische polare Film (2) wird auf eine leitfähige Unterlage (3) die als Elektrode dient aufgebracht. Auf den piezoelektrischen Film wird lokal eine zweite Elektrode (1) mit einer kontrollierten Kraft aufgelegt. Diese Kraft wird durch eine Auflagekraftregelung (4) konstant gehalten. Durch Anschlüs se (5) läßt sich eine Spannung (U) zwischen den Elektroden (1, 3) anlegen.

Abb. 2

Wie beim Kraftmikroskop wird die Kraft (3) zwischen einer feinen Spitze (1) und dem piezoelektrischen Film (4) durch die Verbie gung einer weichen Feder (2) bestimmt. Die Verbiegung wird z. B. durch ein optisches Interferometer (5) bestimmt. Der Film läßt sich dreidimensional mit Piezostellgliedern (6) bewegen.

Claims

1. Verfahren zum lokalen Polen und lokalen Messen der Polungs richtung von piezoelektrischen Filmen zur digitalen Daten speicherung durch Auflegen einer lokalen Elektrode mit kontrol lierter Auflagekraft, dadurch gekennzeichnet, daß zum lokalen Polen (die Informationen werden durch die Polungsrichtung des piezoelektrischen Films gespeichert) eine lokale Elektrode (1) auf einen polaren, piezoelektrischen Film (2) mit einer kontrollierten Kraft aufgedrückt und dann eine Spannung (<Polungsfeldstärke) zwischen dieser lokalen Elektrode und einer Gegenelektrode (3) angelegt wird. (Abb. 1) 2. Verfahren zum lokalen Polen und lokalen Messen der Polungs richtung von piezoelektrischen Filmen zur digitalen Daten speicherung durch Auflegen einer lokalen Elektrode mit kontrol lierter Auflagekraft, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der lokalen Polungsrichtung (= Auslesen der ge speicherten Informationen) eine lokale Elektrode auf den piezo elektrischen Film mit einer kontrollierten Kraft aufgelegt und die Dickenänderung des piezoelektrischen Films beim Anlegen einer Spannung (<Polungsfeldstärke) zwischen der lokalen Elek trode und der Gegenelektrode gemessen wird.

3. Verfahren zum lokalen Polen und lokalen Messen der Polungs richtung von piezoelektrischen Filmen zur digitalen Daten speicherung durch Auflegen einer lokalen Elektrode mit kontrol lierter Auflagekraft, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der lokalen Polungsrichtung eine lokale Elektrode auf den piezoelektrischen Film mit einer kontrollierten Kraft gedrückt und die durch den Piezoeffekt zwischen der lokalen Elektrode und der Gegenelektrode induzierte Spannung gemessen wird.

4. Verfahren zum lokalen Polen und lokalen Messen der Polungs richtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die angelegte Spannung (nach Anspruch 2) oder die Auflage kraft (nach Anspruch 3) periodisch moduliert und die Dicken änderung oder die induzierte Spannung mit Lock-in-Technik ge messen wird.

5. Verfahren zum lokalen Polen und lokalen Messen der Polungs richtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Elektrode kontrolliert und mit hoher lateraler Auflösung zweidimensional über den piezoelektrischen Film bewegt werden kann.

6. Verfahren zum lokalen Polen und lokalen Messen der Polungs richtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontrolle und Regelung der Auflagekraft die lokale Elek trode an eine Feder befestigt wird und die Auslenkung der Feder durch Tunnelkontakt, optische Interferometer, optische Strahlab lenkung oder Kapazitätsmethode gemessen wird.

7. Verfahren zum lokalen Polen und lokalen Messen der Polungs richtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als polarer, piezoelektrischer Film eine piezoelektrische Polymerfolie benutzt wird.

8. Verfahren zum lokalen Polen und lokalen Messen der Polungs richtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als piezoelektrischer Film eine piezoelektrische Polymer folie aus Polyvinylidendifluorid PVDF benutzt wird.

9. Verfahren zum lokalen Polen und lokalen Messen der Polungs richtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als piezoelektrischer Film eine piezoelektrische Polymer folie aus Vinylidendifluorid-Trifluorethylen-Copolymer P(VDF- TrFE) benutzt wird.

10. Verfahren zum lokalen Polen und lokalen Messen der Polungs richtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als lokale Elektrode ein zu einer Spitze geätzter oder mecha nisch zu einer Spitze verformter Metalldraht verwendet wird.