一種原位高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口的製作方法

2023-12-11 17:50:17

一種原位高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口的製作方法
【專利摘要】一種高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口，包括以下步驟：在金屬片上通過雷射切割或金屬刻蝕的方法在掩模板上加工出電極的形狀；將掩模板覆蓋在SiNx薄膜窗口上，利用鍍膜機鍍上金屬電極；在所得的電極兩端使用FIB進行電子束沉積，製備出小間距Pt電極；利用聚焦離子束，對電極之間的SiNx薄膜對Pt電極之間的薄膜進行切割加工橋狀結構的樣品平臺；在已經做好電極的SiNx薄膜窗口上，使用磁控濺射鍍上薄膜樣品；用導電膠將透射電鏡通電樣品杆與電極相連進行原位電學實驗。本發明解決了相變材料在器件中不能進行原位觀察相變過程的問題，並避免了常規FIB製備的樣品損傷，降低了樣品的製備難度。
【專利說明】一種原位高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種透射電子顯微鏡薄膜窗口，具體為利用聚焦離子束和掩模板方法，實現製備一種可以原位高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口。屬於納米材料性能原位測試領域。
【背景技術】
[0002]相變存儲器(PCRAM)最為核心的是以硫屬化合物為基礎的相變材料。目前，相變存儲器被認為是最有可能取代目前的主流產品而成為未來存儲器的主流產品的下一代半導體存儲技術。相變存儲就是利用相變材料如硫屬化合物在晶態與非晶態兩種狀態下性能的巨大區別來實現01存儲，例如光學上折射率，電學上電阻值的差異。通過熱或其他方式，PCM就能在兩相間進行轉換:用脈衝較短振幅較大的脈衝實現非晶化，而通過脈衝較長振幅較小的脈衝實現晶化。對於其相變過程的機制，通常的理解是:大振幅的脈衝實現對材料的加熱(電能轉換為焦耳熱)，在焦耳熱的作用下，當溫度升高到材料熔點以上時，然後通過快速冷卻(降溫速率高達109K/s)把原子固定在一種無序的位置，材料由熔融態直接進入非晶態；通過施加一個時間較長、強度中等的電脈衝，對材料進行加熱，使溫度到達結晶溫度以上，熔化溫度以下，從而晶化。隨著科技的發展，人們對相變機制的傳統解釋提出了疑問，對多種相變材料微觀結構與相變機制研究成為近幾年來相變材料研究領域的熱點，尤其實際應用中因為相變材料處於期間內部，相變過程很難實時跟蹤，也成了其結構與電性能研究的難點。其可逆相變機理、相變過程的載流子的突變與電脈衝在其中的作用在國際上還沒有統一的說法，在這些方面的突破可為開發出性能優良的相變材料提供理論指導。因此，人們希望能揭示該材料快速相變的原子機理，及其在電場、電脈衝作用下真實的相變過程，以解決在這一領域存在的爭議，以更好的指導相變存儲器件的設計與使用。
[0003]透射電子顯微鏡是研究物質微觀結構的有力工具，是揭示相變存儲材料相變過程原子機制的重要手段。目前透射電鏡的解析度已經到達亞埃級。但是由於對樣品厚度的要求極高，一般厚度不超過lOOnm。隨著納米技術的發展和納米器件的開發，納米材料在外場尤其是電場作用下的電學性能和電場效應，成為人們研究的焦點。但是，由於現實應用中所用的垂直相變存儲器中相變材料處於器件中間，不能直接觀察。因此需要將材料做成可以觀察的水平相變存儲器，而這又要求材料在一個短而狹長的區域中，才能保證熱量集中在一個很小的區域內，並完成材料的相變過程。在透射電子顯微鏡中如何對相變材料進行固定和電場的加載，從納米尺度和原子層次揭示相變材料在外加電場作用下的電學性能和電場效應成為擺在研究者面前的難題。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在於克服現實應用中所用的垂直相變存儲器中相變材料處於器件中間不能直接觀察的缺陷，提供一種電極間距和樣品尺寸可控的透射電鏡電學測量載網，能夠利用透射電子顯微鏡原位實時記錄相變材料在電場作用下的結構演變和電學性能變化。
[0005]為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案。
[0006]—種高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口，其特徵是製備方法包括以下步驟:
[0007]步驟一:用金屬片作為掩模板，在掩模板上加工出電極的形狀，中空部分通過雷射切割或金屬刻蝕的方法得到；
[0008]步驟二:將掩模板覆蓋在Si3N4薄膜窗口上，利用鍍膜機鍍上金屬電極，然後將掩模板取下獲得兩個電極；
[0009]步驟三:在所得的兩個電極之間使用聚焦離子束FIB進行電子束沉積，製備出兩個Pt電極；然後利用FIB對兩個電極之間的Si3N4薄膜以及對兩個Pt電極之間的薄膜進行切割加工橋狀結構的樣品平臺；
[0010]步驟四:在上述樣品平臺使用磁控濺射鍍上薄膜樣品；用導電膠將透射電鏡通電樣品杆與電極相連進行原位電學實驗。
[0011]在上述方案的基礎上，本發明可以有如下改進:
[0012]進一步，所述步驟一掩模板材料為金、鑰、銅、鐵、鋁或鎳。
[0013]進一步，步驟二中兩個電極間距為10?100 μ m。
[0014]進一步，步驟三中兩個Pt電極間距為0.1?10 μ m。
[0015]進一步，橋狀結構的樣品平臺寬度為10?lOOOnm。
[0016]進一步,所述步驟一中掩模板材料可以由以下材料中的一種或多種組成:Au、Pt、Cu、W、Fe、N1、Al、Ti。掩模板厚度為 0.0lmm ?2mm。
[0017]進一步,所述步驟二中的商用Si3N4薄膜窗口 Si3N4薄膜厚度為Inm?500nm。
[0018]進一步,所述步驟三中電極材料可以由以下材料中的一種或多種組成:Au、Pt、Cu、W、Fe、N1、Al、Ti。電極距離 2 μ m ?100 μ m。
[0019]進一步，所述步驟四中兩電極間距為IOnm?10 μ m,電極寬度為IOnm?10 μ m。
[0020]進一步，所述步驟五中所述薄膜材料可以為單層或多層，可以通過磁控濺射、原子層沉積、化學氣相沉積、電子書蒸發沉積得到。
[0021]本發明與現有技術相比，具有以下明顯的優勢和有益效果:
[0022]1.本發明可以直接在透射電鏡樣品上製備電極，電極間距可控，可以保證相變材料完成相變過程，並可以研究尺寸不同情況下納米材料的電學響應；
[0023]2.本發明直接應用了透射電鏡載網，可以方便的裝入高分辨透射電鏡中，可以在原位通電的同時實現高分辨觀察；
[0024]3.本發明在透射電鏡樣品上可以同時製備多個電極，每個電極區域之間均存在待測樣品，且樣品之間互不影響。
[0025]本發明的有益效果是:本發明針對原位TEM測試要求，提出一種製備TEM電學樣品的方法。製備過程簡單、成功率高，消除了傳統FIB製備TEM所需的提取轉移步驟，並避免傳統FIB加工對樣品的傷害。
【專利附圖】

【附圖說明】[0026]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0027]圖1是本發明實施例未加工前所用的Si3N4薄膜的結構示意圖。
[0028]圖2是本發明實施例所用金屬掩模板的結構示意圖。
[0029]圖3本發明實施例磁控濺射Au、Pt等金屬電極後Si3N4薄膜的結構示意圖。
[0030]圖4是本發明實施例聚焦離子束沉積Pt電極和切割加工後的Si3N4薄膜的結構示意圖。
[0031]圖5是本發明實施例加工完成後的完整實驗平臺的結構實驗圖。
[0032]圖6是本發明實施例提供的製備方法製備的Ge2Sb2Te5的相變存儲器TEM樣品的TEM照片。
[0033]圖中1.Si3N4薄膜，2.金屬掩模板，3.Au、Pt等金屬電極，4.FIB沉積的Pt電極，
5.FIB加工切割掉的Si3N4薄膜，6樣品平臺。
【具體實施方式】
[0034]以下結合附圖對本發明的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本發明，並不用於限定本發明的應用範圍。
[0035]實施例1
[0036]本發明用於原位電學測試的透射電鏡的製備方法包括以下步驟:
[0037]步驟一:用容易加工的鎳片作為掩模板，在掩模板上加工出電極的形狀，中空部分通過雷射切割或金屬刻蝕的方法得到，掩模板厚度約為0.2_，且掩模板表面保持平整。
[0038]步驟二:將掩模板覆蓋在SiNx薄膜窗口上，利用鍍膜機鍍上200nm厚的Au作為電極，然後將掩模板取下獲得電極，電極之間為薄膜材料。由於濺射陰影區域的存在，電極之間距離設計為10 μ m。
[0039]步驟三:在所得的電極兩端使用FIB進行電子束沉積，製備出間距I μ m的Pt電極。然後利用聚焦離子束，對電極之間的Si3N4薄膜對Pt電極之間的薄膜進行切割加工，得到寬度為50nm的橋狀結構的樣品平臺。
[0040]步驟四:在已經做好電極的Si3N4薄膜窗口上，使用磁控濺射鍍上薄膜樣品。用導電膠將透射電鏡通電樣品杆與電極相連進行原位電學實驗，通過合適的電脈衝即可實現相變材料的可逆相變。
[0041]以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改，等同替換，改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口，其特徵是製備方法包括以下步驟: 步驟一:用金屬片作為掩模板，在掩模板上加工出電極的形狀，中空部分通過雷射切割或金屬刻蝕的方法得到； 步驟二:將掩模板覆蓋在Si3N4薄膜窗口上，利用鍍膜機鍍上金屬電極，然後將掩模板取下獲得兩個電極； 步驟三:在所得的兩個電極之間使用聚焦離子束FIB進行電子束沉積，製備出兩個Pt電極；然後利用FIB對兩個電極之間的Si3N4薄膜以及對兩個Pt電極之間的薄膜進行切割加工橋狀結構的樣品平臺； 步驟四:在上述樣品平臺使用磁控濺射鍍上薄膜樣品；用導電膠將透射電鏡通電樣品杆與電極相連進行原位電學實驗。
2.根據權利要求1所述的高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口，其特徵是:所述步驟一掩模板材料為金、鑰、銅、鐵、鋁或鎳。
3.根據權利要求1所述的高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口，其特徵是步驟二中兩個電極間距為10?100 μ m。
4.根據權利要求1所述的高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口，其特徵是步驟三中兩個Pt電極間距為0.1?10 μ m。
5.根據權利要求1所述的高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口，其特徵是橋狀結構的樣品平臺寬度為10?lOOOnm。
【文檔編號】G01N1/28GK103954636SQ201410140893
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月10日 優先權日:2014年4月10日
【發明者】韓曉東, 邵瑞文, 鄭坤, 張韜, 王疆靖, 張澤 申請人:北京工業大學