CN101320577B - 铁电信息存储介质的制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种具有铁电纳米点的铁电信息存储介质和一种制造该铁电信息存储介质的方法。该铁电信息存储介质包括衬底，形成在衬底上的电极，以及形成在电极上的铁电纳米点，其中铁电纳米点彼此相互分离，并且多个铁电纳米点形成单个位区。

Description

铁电信息存储介质的制造方法
技术领域
本发明的装置和方法涉及具有用于存储信息的铁电材料的铁电信息存储介质并且，更特别地，涉及具有作为信息存储单元的铁电纳米点层的铁电信息存储介质以及制造该铁电信息存储介质的方法。 
背景技术
因为数据存储设备例如传统硬盘和光盘的快速发展，已经研发出记录密度为180Gb/inch2或以上的信息存储介质。然而，数字技术的飞速发展需要进一步增加信息存储介质的容量。 
因为超顺磁限制或光盘的激光衍射，限制了传统的硬盘的记录密度。近来，通过使用近场光技术克服光衍射的限制，已经研发出记录密度为100Gb/inch2或以上的信息存储介质。另外，对于硬盘驱动器的情况，使用不连续轨道介质，已经证实了400Gb/inch2的记录密度。 
同时，已经在研究使用尖端探针制造与传统信息存储介质不同的高容量信息存储介质，可以使用原子力显微镜(AFM)观察该尖端探针。因为尖端探针可被制造到几个纳米的尺寸，所以使用尖端探针可以观察到原子级的表面结构。当使用具有上述特性的尖端探针时，理论上可以制造容量为每平方英寸兆兆位级的信息存储介质。然而，当使用尖端探针时，因为传统铁电薄膜的多晶体的晶体尺寸不均匀，所以信息存储介质中传统铁电薄膜数据保持性较弱。 
发明内容
为了解决上述和/或其他问题，本发明提供了具有由尺寸一致的铁电纳米点形成的信息存储层的铁电信息存储介质。 
本发明还提供制造该铁电信息存储介质的方法。 
根据本发明的一方面，提供一种铁电信息存储介质，包括：衬底；形成在衬底上的电极；以及形成在电极上的铁电纳米点，其中铁电纳米点彼此相  互分离，且多个铁电纳米点形成单个位区。 
铁电纳米点具有15纳米或更小的直径。 
铁电纳米点在电极上形成单层。 
铁电纳米点由从PbTiO3，KNbO3，和BiFeO3中选择的至少一种形成。 
衬底由硅，玻璃和铝中的至少一种形成。 
铁电信息存储介质还包括在铁电纳米点上的保护层。 
铁电信息存储介质还包括在保护层上的润滑层。 
根据本发明的另一方面，提供一种制造铁电信息存储介质的方法，包括：a)在衬底上形成电极；b)形成包括用于在电极上形成铁电材料的金属材料的前体纳米点层；c)给前体纳米点层提供反应气体使之与前体纳米点层的前体纳米点反应来形成铁电纳米点；以及d)通过对前体纳米点层退火(annealing)形成铁电纳米点。 
前体纳米点层的形成包括在前体纳米点层的每一个前体纳米点的表面上配位有机分散剂。 
前体纳米点层由彼此分离的多个前体纳米点形成。 
前体纳米点具有15纳米或更小的直径。 
前体纳米点层的形成包括在电极上以薄膜状形成溶液，前体纳米点分散在该溶液中。 
从包括旋涂法，浸渍涂层法，刮刀涂布法，丝网印刷法，化学自组装法，Langmuir-Blodgett方法，和喷涂法的组中选择至少一种方法用来形成薄膜状。 
该溶液包括浓度为0.05到1wt％的前体纳米点。 
溶液的溶剂可以是从氯仿，二氯甲烷，正己烷，甲苯，***，丙酮，乙醇，吡啶，和四氢呋喃中选择的至少一种有机溶剂。 
前体纳米点层可以是单层的前体纳米点。 
前体纳米点层的形成还可以包括去除有机分散剂。 
去除有机分散剂包括对前体纳米点层退火或在O2等离子体中处理前体纳米点层。 
前体纳米点层的形成包括形成前体纳米点，该前体纳米点包括从Ti，Nb，和Fe中选择的至少一种。 
铁电纳米点的形成包括在400到900℃的温度下退火。 
铁电纳米点的形成包括从PbTiO3，KNbO3，和BiFeO3中选择至少一种来形成纳米点层。 
附图说明
通过参考附图详细描述具体实施方式，本发明的上述和其他特征以及各方面将变得更加清楚，其中： 
图1是说明根据本发明的一个具体实施例具有铁电纳米点层的铁电信息存储介质的截面图； 
图2是说明图1的铁电纳米点排列的图； 
图3A到3D是说明根据本发明的一个具体实施例制造具有铁电纳米点的铁电信息存储介质的方法的截面图； 
图4展示了TiO2纳米点形状和大小的透射电子显微镜(TEM)图像；以及 
图5是展示在TiO2纳米点表面上带有羧基的分散剂配位的示意图。 
具体实施方式
参照展现本发明具体实施方式的附图，本发明所述的具有铁电纳米点的铁电信息存储介质和制造铁电信息存储介质的方法将被更加充分地阐明。在附图中，为了清楚起见层和区域的厚度被夸大。 
图1是说明根据本发明的一个具体实施例具有铁电纳米点层的铁电信息存储介质的截面图。 
参照图1，电极20形成在衬底10上。虽然电极20被展示为较低的电极，但并不限于此方向。由铁电纳米点32形成的铁电纳米点层30形成在电极20上。铁电纳米点32均匀分布。在衬底10和电极20之间还可以包括粘性材料(未示出)例如TiO2，ZrO2，或Cr用于增强其间的粘性。另外，电极20和铁电纳米点32之间还可以包括粘性材料(未示出)例如上述粘性材料。 
衬底10可以是，例如，广泛用于半导体行业中的硅衬底，并且还可以是玻璃衬底或氧化铝衬底。 
电极20由例如Pt，Ir，IrO2，或SrRuO3形成。 
铁电纳米点32由铁电材料例如PbTiO3形成，并且如图2所示相互隔开。铁电纳米点32的尺寸均匀地形成，随后将在制造具有铁电纳米点的铁电信  息存储介质的方法中说明。铁电纳米点32具有15纳米或更小的直径，并且铁电纳米点32之间的间隙是可以控制的。制造过程中，铁电纳米点32之间自发形成预定间隙，并且不需要具有排列的结构。多个纳米点32成为1个位的信息区。当形成铁电纳米点32的直径为几个纳米时，每平方英寸可以形成1兆兆位的信息区。因此，本实施例所涉及的信息存储介质具有比传统信息存储介质高得多的记录密度。 
铁电纳米点32不限于PbTiO3纳米点。也就是说，铁电材料例如BiFeO3 或KNbO3也可以用于形成铁电纳米点32。 
铁电纳米点层30形成单层。还可以在铁电纳米点层30上形成保护层(未示出)。该保护层可以是，例如类金刚石碳(DLC)层，或由各种材料形成的其他材料层。润滑层(未示出)还可以形成在保护层上。 
图1中的读/写头可以是电阻探针或硬盘驱动器(HDD)的读/写头。当脉冲电压施加在读/写头40和电极20之间时，铁电纳米点32的极化就会改变。根据所施加电压的极性，铁电纳米点32的极化方向向上或向下。可由读/写头40读取铁电纳米点32的极化状态，并因此，可以读取记录在铁电纳米点32形成的1个位区上的数据。 
从下面相关的制造方法中，可清楚地理解本实施例所涉及的信息存储介质的结构。 
图3A到3D是说明根据本发明的一个具体实施例制造具有铁电纳米点的铁电信息存储介质的方法的截面图。相同的附图标记用来表示与图1中的元件基本上相同的元件，并因此，相关的详细说明将不再重复。 
参照图3A，粘接层12形成在衬底10上并且电极20形成在粘接层12上。衬底10可以是，例如硅衬底，玻璃衬底，或氧化铝衬底。如果使用硅衬底，那么在衬底10上形成SiO2层。粘接层12增强了衬底10和电极20之间的粘性并通过沉积粘性材料诸如TiO2，ZrO2，或Cr形成。通过沉积例如Pt，Ir，IrO2或SrRuO3等材料，形成厚度为100纳米或更小的电极20。 
参照图3B，前体纳米点层34形成在电极20上，该前体纳米点层包括用于形成铁电材料的金属材料。前体纳米点层34由多个前体纳米点36形成，并且该前体纳米点以与图2中所描述的铁电纳米点32相同的方式相互隔开。在电极20上薄膜形成溶液用于形成前体纳米点层34，该溶液中前体纳米点36通过有机分散剂38被分散。铁电材料可以是，例如，PbTiO3，KNbO3，  或BiFeO3。用于形成铁电材料的金属可以是Ti，Nb，或Fe，以及这些金属的氮化物或氧化物可以形成铁电材料。 
使用例如旋涂法，浸渍涂层法，刮刀涂布法，丝网印刷法，化学自组装法，Langmuir-Blodgett方法，和喷涂法中一种进行薄膜形成处理。 
有机分散剂38在前体纳米点36上配位，并通过有机分散剂38使前体纳米点36相互隔开。前体纳米点36形成15纳米或更小的直径，并以单层形成。 
接下来，将说明在电极20上形成TiO2纳米点的方法。 
按照如下方法在溶液中合成TiO2纳米点。在装有回流冷凝器的烧瓶中通过慢慢增加反应温度到320℃，同时地混合0.4g油酸，20ml三辛胺，1ml油胺，和0.1g氯化钛，并且反应混合物的反应在320℃的反应温度下保持两小时。反应完成后，尽可能快地冷却反应混合物，并且通过添加非溶剂丙酮来离心分离反应混合物。除了离心分离的沉淀物，反应混合物上面部分的液体被除去，并且沉淀物分散在正己烷中用以获得约为1wt％的溶液。一种有机溶剂，例如，氯仿，二氯甲烷，正己烷，甲苯，***，丙酮，乙醇，吡啶，和四氢呋喃可以用来替代溶液中的溶剂正己烷。 
图4展示了使用该方法制造的TiO2纳米点的透射电子显微镜(TEM)图像。 
图5是表示在TiO2纳米点表面上带有羧基的分散剂配位的示意图。如图5所描述的，TiO2纳米点的表面被油酸基所包围。溶液被旋涂在电极20上，该溶液中分散着TiO2纳米点。此时，通过控制旋涂率、TiO2纳米点浓度、或溶剂类型而形成TiO2纳米点的单层。被旋涂在电极20上的TiO2纳米点通过包围在TiO2纳米点表面上的油酸自发地分离和自组装。也就是说，自组装不是精确的排列，而是保持每一个TiO2纳米点相互间存在一定的间隙。 
TiO2纳米点的浓度可以是0.05到1wt％。如果TiO2纳米点的浓度低于0.05wt％，那么TiO2纳米点之间的间隙会很大，并因此会降低TiO2纳米点的密度。如果TiO2纳米点的浓度高于1wt％，那么TiO2纳米点层形成的很厚，并因此很难形成TiO2纳米点单层。 
接着，除去前体纳米点36表面上配位的有机分散剂38。通过在O2等离子体中处理1到5分钟或在随后的步骤中退化处理除去有机分散剂38。 
参照图3C，为了使前体纳米点36变为铁电纳米点32，由TiO2形成的前体纳米点36与PbO反应气体反应。对于由不同材料形成的前体纳米点36，使用不同的反应气体。例如，如果前体纳米点36是Ti前体纳米点或TiN前体纳米点，则还要提供氧气。如果前体纳米点36是FeO前体纳米点，则使用Bi2O3反应气体，以及如果前体纳米点36是NbO前体纳米点，则使用K2O反应气体。如果前体纳米点36是Fe或Nb前体纳米点，在氧气气体中通过提供相应的反应气体形成铁电纳米点32。铁电纳米点32形成为单层铁电纳米点层30。 
通过热蒸发方法或溅射方法提供PbO反应气体。例如，气态PbO可以通过退火和蒸发PbO粉末获得。另外，气态PbO可以通过在包含氧气O2的等离子体气氛中溅射Pb靶或PbO靶而很容易地获得。 
前体纳米点36和反应气体之间的反应在400到900℃的温度范围内进行。如果反应温度低于400℃，前体纳米点36和反应气体之间的反应不能平稳地实现。如过反应温度高于900℃，则反应气体会从已经形成的铁电纳米点32中蒸发。 
参照图3D，保护层41和润滑层42还可以形成在铁电纳米点32上。保护层41和润滑层42的形成在制造信息存储介质的方法中是熟知的，并因此，相关的描述被略去。 
在本发明所涉及的制造具有铁电纳米点32的信息存储介质的方法中，当形成铁电纳米点32时，因为前体纳米点36已经被分离，所以即使在800到900℃的高温下，阻止了前体纳米点36通过彼此接触而再生长。因此，由于导致有利晶体结构的高温生长，铁电纳米点32的尺寸是均匀的，因此增强了信息存储特性。 
另外，因为在铁电纳米点32之间几乎没有间隙，而接触铁电纳米点32的读/写头部分40与铁电纳米点32之间的间隙相比相对较大，所以从读/写头部分的角度来看，铁电纳米点32的粗糙程度被认为是平滑的。 
根据本发明，因为铁电纳米点的直径均匀控制到小于15纳米并且铁电纳米点彼此分离，所以阻止了退火过程中铁电纳米点的再生长。另外，铁电纳米点均匀地并且自发地自组装在电极上，并且多个纳米点形成一个位区。因此，铁电纳米点不需要精确地组装。因此，精确图案方法是不需要的。 
另外，根据本发明的铁电纳米点层不是薄膜型铁电层，而是其中纳米点  彼此分离的纳米点层。因此，纳米点晶体应力减小，从而改善了铁电信息存储介质的磁信息存储特性。 
本发明所指的制造铁电信息存储介质的方法是一种简单而且容易的方法，并且便于制造改善写特性的铁电记录介质。 
参照相关具体实施方式阐明并特别展示本发明，但本领域技术人员知道在不偏离所附权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下，形式和细节上存在多种改变。具体实施方式仅仅应考虑描述的方面而并不以限定为目的。因此，本发明的范围不是被本发明具体描述所限定而是被所附权利要求所限定。 

Claims (14)

1.一种制造铁电信息存储介质的方法，包括：
a)在衬底上形成电极；
b)形成包括用于在电极上形成铁电材料的金属材料的前体纳米点层；
c)给前体纳米点层提供反应气体使之与前体纳米点层的前体纳米点反应来形成铁电纳米点；以及
d)通过对前体纳米点层退火形成铁电纳米点，
其中前体纳米点层的形成包括在前体纳米点层的每一个前体纳米点的表面上配位有机分散剂。
2.如权利要求1所述的方法，其中前体纳米点层由彼此分离的多个前体纳米点形成。
3.如权利要求1所述的方法，其中前体纳米点具有15纳米或更小的直径。
4.如权利要求1所述的方法，其中前体纳米点层的形成包括使溶液以薄膜状形成在电极上，前体纳米点分散在该溶液中。
5.如权利要求4所述的方法，其中使用从旋涂法，浸渍涂层法，刮刀涂布法，丝网印刷法，化学自组装法，Langmuir-Blodgett方法，和喷涂法中选择的至少一种方法形成薄膜状。
6.如权利要求4所述的方法，其中该溶液包括浓度为0.05到1wt％的前体纳米点。
7.如权利要求4所述的方法，其中溶液的溶剂是从氯仿，二氯甲烷，正己烷，甲苯，***，丙酮，乙醇，吡啶，和四氢呋喃中选择的至少一种有机溶剂。
8.如权利要求1所述的方法，其中前体纳米点层是单层的前体纳米点。
9.如权利要求1所述的方法，其中前体纳米点层的形成还包括去除有机分散剂。
10.如权利要求9所述的方法，其中去除有机分散剂包括对前体纳米点层退火或在O2等离子体中处理前体纳米点层。
11.如权利要求1所述的方法，其中前体纳米点层的形成包括形成前体纳米点，该前体纳米点包括从Ti，Nb，和Fe中选择的至少一种。
12.如权利要求1所述的方法，其中铁电纳米点的形成包括在400到900℃的温度下退火。
13.如权利要求1所述的方法，其中铁电纳米点的形成包括从PbTiO3，KNbO3，和BiFeO3中选择至少一种以形成纳米点层。
14.如权利要求1所述的方法，其中该铁电纳米点具有15纳米或更小的直径。
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