一种铁电薄膜表面功函数的测定方法与流程

本发明涉及功能薄膜技术领域，具体涉及一种铁电薄膜表面功函数的测定方法。

背景技术：

在工程技术和科学研究领域，研究人员迫切地想知道薄膜表面的缺陷浓度及费米能级状态，然而苦于没有方法去获得，只能花费大量时间去做微观检测。

现有技术中，通常采用以下两种方法进行检测：一种方法是利用开尔文探测和开尔文探测力显微镜来进行测量；另一种方法是基于光发射的原理，通过紫外(uv)光去激发相应的固体样品表面，使得固体表面的电子受到激发，通过测量发射电子的能量谱来分析样品的态密度、占据态及功函数等信息。然而，上述方法均是对微小区域进行测量，难以获得较大区域的薄膜样品的功函数，且测得的结果还需进行进一步的处理，不能直接使用。

因此，如何快速的测量较大区域的薄膜的功函数成为了本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明实际需要解决的问题是：如何快速的测量较大区域的薄膜的功函数。

本发明采用了如下的技术方案：

一种铁电薄膜表面功函数的测定方法，包括：

s1、在待测铁电薄膜表面制备具有不同功函数的金属顶电极；

s2、测量不同金属顶电极与待测铁电薄膜之间的势垒差；

s3、基于所述势垒差及金属顶电极的功函数生成所述待测铁电薄膜表面功函数。

优选地，步骤s1包括：

s101、利用带孔的掩膜版，将孔对准目标制备区域并遮挡非制备区域；

s102、通过光刻、曝光和显影的方式在目标制备区域刻出目标电极图形；

s103、通过磁控溅射的方式溅射目标金属电极；

s104、重复执行步骤s101至s103的方法完成多种具有不同功函数的金属顶电极的制备。

优选地，步骤s2包括：

s201、通过温度阻抗频谱曲线获得不同温度下的不同金属顶电极对应的等效晶粒电阻rg；

s202、利用ln(rg)与1000/t线性关系拟合曲线求得金属顶电极处载流子缺陷的势垒差，ln(rg)表示等效晶粒电阻rg取对数值，t表示温度。

优选地，步骤s201包括：

s2011、测量不同温度下不同频率下的复阻抗数据；

s2012、进行复阻抗圆的拟合得到复阻抗图谱；

s2013、基于复阻抗图谱求取阻抗圆的半径从而得到不同温度下的等效晶粒电阻。

优选地，当金属顶电极为探针结构时，通过测量相邻的多个区域的温度阻抗频谱曲线获得金属顶电极处载流子缺陷的势垒差。

优选地，待测铁电薄膜表面功函数等于金属顶电极的功函数加上对应的势垒差。

优选地，所述铁电薄膜为掺杂的氧化物铁电薄膜、未掺杂的氧化物铁电薄膜或有机的铁电薄膜。

优选地，不同的金属顶电极中至少包括一个功函数大于铁电薄膜表面功函数的金属顶电极，以及一个功函数小于铁电薄膜表面功函数的金属顶电极。

综上所述，本发明所采用的技术方案是：通过阻抗频谱技术测量得到不同功函数的金属顶电极下的温度复阻抗图，并以此拟合求得在特定区域下缺陷的激活能值，通过比较它们的差值，并根据已知金属的功函数值加上该差值来求得薄膜氧化物的功函数值。

与现有的薄膜功函数技术相比，本发明具有简单和易操作性，特别是针对一些缺乏大型检测薄膜功函数仪器和装置的实验室或者企业，可以通过该方法很快探知具体的薄膜表面的功函数值，从而有效地提高薄膜制备效率及更有利于我们建立相应的理论物理模型来提高薄膜制备的质量。

附图说明

图1是本发明中的一种铁电薄膜表面功函数的测定方法的一种具体实施方式的流程图；

图2为本发明的阐述在底电极为pt或者金属氧化物上制备铁电薄膜的结构示意图；

图3是本发明通过掩膜版在薄膜的四块不同区域制备的不同顶电极如pt、au、nife和al为顶电极结构示意图；

图4是本发明中不同金属顶电极的温度阻抗频谱曲线：(a)pt；(b)au；(c)nife；(d)al；

图5是本发明中不同金属顶电极ln(rg)-1000/t曲线，相应区段的斜率为缺陷下的激活能值。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述说明。

如图1所示，本发明公开了一种铁电薄膜表面功函数的测定方法，包括：

s1、在待测铁电薄膜表面制备具有不同功函数的金属顶电极；

s2、测量不同金属顶电极与待测铁电薄膜之间的势垒差；

s3、基于所述势垒差及金属顶电极的功函数生成所述待测铁电薄膜表面功函数。

本发明利用不同功函数的金属顶电极会与氧化物铁电薄膜形成载流子缺陷的势垒差的原理，根据不同金属顶电极的势垒差值和已知的金属功函数值来获得薄膜的功函数。与现有的薄膜功函数技术相比，本发明具有简单和易操作性，特别是针对一些缺乏大型检测薄膜功函数仪器和装置的实验室或者企业，可以通过该方法很快探知具体的薄膜表面的功函数值，从而有效地提高薄膜制备效率及更有利于我们建立相应的理论物理模型来提高薄膜制备的质量。

具体实施时，步骤s1包括：

s101、利用带孔的掩膜版，将孔对准目标制备区域并遮挡非制备区域；

s102、通过光刻、曝光和显影的方式在目标制备区域刻出目标电极图形；

s103、通过磁控溅射的方式溅射目标金属电极；

s104、重复执行步骤s101至s103的方法完成多种具有不同功函数的金属顶电极的制备。

本发明中，薄膜的制备可采用以下方法：

在同一块底电极(pt、au或者金属氧化物电极)上制备铁电薄膜(锆掺杂的钛酸铅(pzt)或钕掺杂的钛酸铋薄膜(bnt))，要求薄膜的漏电流不能过大。其结构如图2所示。

在完成薄膜的制备后，再进行金属顶电极的制备，具体结构可如图3所示。图3中，通过圆孔的掩膜版，选取薄膜的1/4区域，并遮住其他区域，或者通过光刻、曝光和显影技术在薄膜的1/4区域刻出相应的电极图形，通过磁控溅射的方法溅射金属电极，并利用在磁控溅射中更换金属靶材，分别在薄膜的其他的三个区域溅射金属顶电极。在电极的制备过程中，根据实际情况，也可以溅射三种或两种类型的金属，但要保证金属的功函数满足一组梯度，如pt、au、nife和al电极；pt、au、nife和ta电极或者pt、au、nife和zn电极。

具体实施时，步骤s2包括：

s201、通过温度阻抗频谱曲线获得不同温度下的不同金属顶电极对应的等效晶粒电阻rg；

s202、利用ln(rg)与1000/t线性关系拟合曲线求得金属顶电极处载流子缺陷的势垒差，ln(rg)表示等效晶粒电阻rg取对数值，t表示温度。

具体实施时，步骤s201包括：

s2011、测量不同温度下不同频率下的复阻抗数据；

s2012、进行复阻抗圆的拟合得到复阻抗图谱；

s2013、基于复阻抗图谱求取阻抗圆的半径从而得到不同温度下的等效晶粒电阻。

可将测试样品放置可变温的测试台上，为保证测试温度的稳定性，建议从高温往低温进行测试。从中得到常温(300k)到150℃(425k)的不同频率下的复阻抗数据，可通过z-view商用拟合软件选择特定模型进行复阻抗圆的拟合。相关拟合曲线如附图4所示，展示的是不同温度下的复阻抗图谱。通过求取阻抗圆的半径可以得到不同温度下的等效晶粒电阻。

rg在不同的温度区间满足arrhenius公式，rg∝exp(-ea/kbt)，其中ea为参与导电的离子平均激活能，kb为玻尔兹曼系数。因此根据上述公式原理，ln(rg)与1000/t存在着线性关系。并画出ln(rg)与1000/t相应的拟合曲线，每一段曲线的斜率即为该金属顶电极处的激活能值。具体可选取钕锰共掺杂的钛酸铋铁电薄膜(bntm)为例，分别以pt为底电极，pt、au、nife和al为顶电极的薄膜的ln(rg)与1000/t线性曲线，通过拟合计算他们的斜率，可以得到相应的激活能值，具体如附图5所示。对于pt、au、nife顶电极而言激活能为0.19ev，这个能量值在相关文献报道为氧空位的首次电离迁移的能量。而al电极在这一区域为0.55ev，很大程度上是由于al电极的功函数比铁电薄膜的功函数要低，造成了一个0.36ev的铁电薄膜到al电极的空穴阻挡层，以al电极金属功函数为4.3ev为例，可以推算出bntm薄膜的功函数为4.66ev。即wfilm＝wal+wdiff，其中wfilm为薄膜的功函数，wal为al电极的功函数，wdiff为al顶电极与pt、au、nife顶电极间的势垒差.

具体实施时，当金属顶电极为探针结构时，通过测量相邻的多个区域(包含金属顶电极的区域)的温度阻抗频谱曲线获得金属顶电极处载流子缺陷的势垒差。

具体实施时，待测铁电薄膜表面功函数等于金属顶电极的功函数加上对应的势垒差。

具体实施时，所述铁电薄膜为掺杂的氧化物铁电薄膜、未掺杂的氧化物铁电薄膜或有机的铁电薄膜。

本发明中铁电薄膜不仅仅包括传统的氧化物铁电薄膜(锆钛酸铅基(pzt)、钛酸铋基(bto)、铁酸铋基(bfo)、钛酸钡基(bto)、氧化铪基(hfo2)钛酸锶铋基(sbt)等)，还应包含所属类型氧化物铁电薄膜所有掺杂形式的薄膜和部分有机的铁电薄膜(如pvdf等)。

具体实施时，不同的金属顶电极中至少包括一个功函数大于铁电薄膜表面功函数的金属顶电极，以及一个功函数小于铁电薄膜表面功函数的金属顶电极。

本发明中，根据实际的测定需要，金属顶电极不仅仅限于pt、au和nife与al、ta或zn的组合，只要几类顶电极金属满足功函数在铁电薄膜功函数上下即可。同时金属顶电极种类也可以是三种金属(如pt和au与al、ta或zn等)，也可以是两种(如pt和al或ta或zn等)。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。