和Au薄膜异质结构的信息存储装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于信息存储技术领域，具体涉及一种基于BiFeCVfP Au薄膜异质结构的信息存储装置及基于该信息存储装置的信息存储方法。
【背景技术】
[0002]信息作为人类社会三大资源之一，对人们生产生活的影响无处不在，在2007年的国际半导体器件发展路线图(ITRSD)中单独新开辟一章，命名为“新型存储器件与材料”，其中强调指出，设计研发新一代的基于新的信息存储机制的存储器件具有重要的意义。实现信息容量大、信息保存时间长、信息读写能耗低、信息存取方便快捷、性能价格比高的存储器件是未来信息技术领域长期的研宄目标。
[0003]当前存储技术的研宄领域主要集中在磁存储、光存储和铁电存储三种存储技术上。磁存储虽然已经被广泛应用于磁盘，但是磁存储技术仍存在诸多不足:通过磁头和运动着的磁介质相互作用来实现信息的写入和读出，能耗较大；写入过程中为了产生足够强的写入磁信号，需要一定数量的线圈，这使得写入磁头的尺寸难以缩小，对密度的提高造成影响。光存储技术的读出速度快，而且是非破坏性的，但是光存储在信息写入时需要利用激光的热效应在光盘上烧出凹坑，耗能较大且速度很慢，而且密度受激光波长限制，存储容量有限。因此，从信息写入的方式来看，“电写入”是一种速度快、能耗低、密度大的方式，这正是铁电存储的优势。
[0004]铁电存储技术是基于铁电材料的自发极化特性。在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，即铁电性。对于一块未极化的铁电晶体，电畴随机排列，净极化强度为零。当外加一个电场时，电畴同时向电场方向转动，形成宏观的净铁电极化；当施加一个足够大的反向电场时，铁电极化方向可以被反转。特别是当移去电场后，铁电畴电极化状态保持不动，存储器的状态也得以保存不会消失，即实现“非易失性”存储。这种可被外电场调制的铁电极化状态(“I”或“O”)使得铁电材料可以作为存储器。铁电畴的反转不需要高电场，仅用一般的工作电压就可以改变存储单元是在“ I”或“O”的状态，随着在薄膜制备技术和工艺上取得的进展以及电极材料和新的铁电薄膜材料的发展，由铁电材料制成的存储器能在(3?5)V甚至更低的电压下工作，因此铁电存储具有写入速度快、能耗低、寿命长的优点。
[0005]但是铁电存储器在读取信息时，同样需要施加电场，这对铁电畴的极化状态会有影响，是一种破坏性的读取过程。因此，如果能把铁电存储的信息“写入”优势和光存储的信息“读出”优势相结合，实现“电写入、光读取”将会是一种十分理想的信息存储方式，其具有信息写入速度快、能耗低，信息保存时间长、信息读出速度快、非易失，信息存取方便快捷的优点。
[0006]基于导电针尖技术的信息存储系统是进行非易失性高密度存储器件研宄的一类理想的发展方向。当前许多信息写入原理都计划使用导电针尖技术写入【现有技术I:Sebastian A, Pantazi A, Pozidis H, and Elefther1u E, ‘‘Nanoposit1ning forprobe-based data storage，，in Proceedings of IEEE Conference on IEEE ControlSystems (IEEE, 2008), pp.26-35.】。大量科研人员考虑到铁电薄膜写入及擦除原理的无破坏性，致力于研宄利用电脉冲写入信息至铁电薄膜。而近场光学检测技术可用在光学读取中【现有技术 2:Leiprecht P, Kilhler P, Longo M, Leiderer P, Afonso C N, and SiegelJ, “Exploiting optical near fields for phase change memories, ^Appl.Phys.Lett.98,013103(2011).】。是否可以将基于导电针尖技术把信息写入铁电薄膜的存储技术与近场光学检测技术相结合成为了一项新的研宄内容。NT-MDT公司生产的NTEGRA平台可以将导电探针原子力显微镜C-AFM检测技术与扫描近场光学显微镜检测技术集成并已经是一项成熟的技术，因此可以利用NTEGRA平台，基于C-AFM导电针尖技术进行电信息写入、基于SNOM针尖检测技术进行近场光学信息读取。
[0007]铁酸铋(BiFeO3)是一种新型室温多铁材料，其铁电居里温度为643K，用其制成的外延薄膜在室温下具有很好的铁电特性，可以利用外加电场实现电极化方向的偏转，极化状态可以永久保持，而对其施加反向电压则可实现电极化方向的恢复。因此利用BiFe0j9铁电性质可以实现铁电存储，尤其是信息的“电写入”。
[0008]另一方面，铁酸铋(BiFeO3)外延薄膜折射率变化Δη可以达到0.15?0.3，并且可以通过外加电场改变电极化方向进而改变其折射率【现有技术3:Choi S G，Yi HT, Cheong S ff, et al.“Optical anisotropy and charge-transfer transit1n energiesin BiFe03from 1.0to 5.5eV.” Phys.Rev.B, 2011，83:100101 (R).】。而传统电光材料施加电场前后折射率的变化Δη为10_6?10 _2量级，因此BiFeO3外延薄膜具有良好的电光效应。此外，最近有工作证明，一层薄薄的复折射率材料与金属等反射性基底形成异质结构时，当薄膜和金属的折射率与厚度满足一定条件时，可见光入射到薄膜上后，会在薄膜中形成共振吸收，出现吸收峰【现有技术4:Kats M A, Sharma D, Lin J, et al.“Ultra-thinperfect absorber employing a tunable phase change material.^Appl.Phys.Lett, 2Ol2, 101:22IlOl ;现有技术 5:Kats M A, Blanchard R, Genevet P and CapassoF.“Nanometre optical coatings based on strong interference effects in highlyabsorbing media.’Mature Mater, 2013, 12:20.】。根据该共振吸收现象，可以将 BiFeO3夕卜延薄膜的电光效应进一步放大，再根据电场调制后相同波长处的反射光强强弱，利用光电探测器及计算机对反射光进行处理及阈值对比得知写入信息，实现“光读取”。
[0009]总之，根据BiFeO3的以上特性，再利用导电探针原子力显微镜检测技术和近场光学显微镜针尖检测技术相结合，可以实现“电写入、光读取”的信息存储技术。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是针对当前磁存储或光存储技术的信息“写入”速度慢、能耗高等问题，以及铁电存储技术的信息“读出”过程对电极化状态有破坏、存储介质寿命低等问题，利用BiFeOj^室温铁电性和光学各项异性及电光效应，制作出基于BiFeO 3和Au薄膜异质结构的信息存储装置，将基于导电针尖技术把信息写入铁电薄膜的信息“写入”优势和光存储的信息利用近场光学检测技术“读出”优势相结合，实现“电写入、光读取”。本发明具有信息写入速度快、能耗低，信息保存时间长、读出速度快、非易失，信息存取方便快捷等诸多优势。
[0011]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0012]一种基于BiFe03和Au薄膜异质结构的信息存储装置，该装置由BiFeOjP Au薄膜异质结构、导电探针原子力显微镜(Conductive-probe Atomic Force Microscope，C-AFM)、直流电压源、氦氖激光器、扫描近场光学显微镜(Scanning Near-Field OpticalMicroscopy，SN0M)、入射光纤、光电倍增管、计算机组成；其特征在于:直流电压源正、负极分别与C-AFM的导电探针及BiFeOjP Au薄膜异质结构的Au层相连，为BiFeO 3和Au薄膜异质结构提供可调外加电压，C-AFM的导电探针在BiFeOjP Au薄膜异质结构BiFeO 3层上表面微接触扫描加电压进行信息写入，入射光纤一端与氦氖激光器出光口相连，另一端连接SNOM的SNOM探针，氦氖激光器发出的入射激光通过入射光纤传输至所述SNOM探针并通过SNOM探针入射到BiFeOjP Au薄膜异质结构BiFeO 3