纳米压印技术在铁电薄膜材料上的应用

【摘要】铁电材料由于其铁电、压电和热释电等特性,在非挥发存储器、传感器、非线性光学器件和微机械系统等领域有着非常广泛的应用。近些年,由于器件小型化和集成度越来越高,对铁电材料微纳加工技术的要求也越来越高。如何减少纳米结构加工过程中对铁电薄膜的损伤,保持其良好的性能,是当今微纳加工技术领域的一大挑战。同时纳米结构下铁电材料性质的研究不仅仅对基础理论研究有着重大意义而且也有助于该材料在新的领域的应用开发。目前传统的光学光刻技术和电子束刻蚀技术在纳米结构加工过程中都会对铁电薄膜造成不可忽略的损伤,因此铁电材料新的微纳加工技术亟需被研究与开发。纳米压印是一种新兴的微纳米加工技术。由于其高效、经济、分辨率高等特点近些年得到了较快的发展。本论文主要讲述纳米压印铁电薄膜纳米结构制备工艺,压印后纳米图形下铁电薄膜性能表征,以及其在多位存储、金属银颗粒自组装和生物细胞诱导生长等方面的应用开发。本文绪论部分首先介绍纳米压印技术的各种工艺,纳米压印技术的国内外研究现状,纳米压印技术所面临的挑战；其次简单论述本工作中两种铁电材料锆钛酸铅(PZT)与聚偏氟乙烯三氟乙烯聚合物P(VDF-TrFE)的结构与性质；最后介绍当前纳米压印铁电薄膜的研究现状和不足,进而提出本论文工作的选题依据。本文主体工作部分从纳米压印铁电薄膜PZT工艺研究展开。PZT是目前应用最为广泛的无机铁电材料之一。本文从材料的溶液制备方法出发,描述纳米压印模板制作与表面处理方法,铂金衬底制作方法以及纳米压印PZT薄膜的制造工艺。详细研究不同前／后烘温度对压印结果的影响,并且比较不同压印模板压印的难易度,开发该材料的室温纳米压印技术,通过对工艺流程和参数细致的对比研究,制备出目前尺寸领先于国际水平的PZT纳米线(-60nm)阵列。本文在纳米压印铁电薄膜工艺研究的基础上紧接着对纳米压印铁电薄膜PZT性能进行表征研究。该部分首先简单介绍铁电材料常用的几种表征技术(如XRD、Raman、PFM);对纳米压印后PZT薄膜结晶情况进行表征分析,研究热压印与室温压印对PZT薄膜晶相结构的影响,确定纳米压印PZT薄膜的晶相结构；通过铁电测试仪对压印后PZT薄膜宏观电学性能进行测量,并与未压印的PZT薄膜电学性能进行比较说明纳米压印加工PZT薄膜的可行性；最后利用扫描探针显微技术(PFM)对压印后PZT薄膜在微观尺度上进行电畴表征,研究纳米压印工艺对铁电PZT薄膜电畴分布的影响以及其压电特性。纳米压印技术加工的铁电薄膜在不同领域的应用,本文主要进行以下三个方面的探索研究：首先,纳米结构铁电薄膜材料在多位存储器领域的应用。多位存储是提高单位存储密度十分有效的方式之一,目前存储器的研究主要集中于外围电路设计上,通常需要增加额外的电路集成负担来实现。本论文利用纳米压印技术,首次提出从铁电薄膜纳米结构上导致的矫顽电压差异实现多位存储的想法,矫顽电压大小对应于不同极化状态下铁电薄膜所存储的电荷量。其次,纳米结构铁电薄膜材料在金属银颗粒自组装方面的应用。铁电薄膜电畴极化所产生的电场能驱动体内电子与空穴向不同方向运动,当电子被驱动到PZT薄膜表面时能与溶液中的金属离子如银离子发生反应,从而能将银离子还原成银颗粒,最终在衬底表面形成周期性的金属图形,即铁电光刻技术。由于传统扫描探针技术在执行铁电光刻的局限性,本论文利用纳米压印工艺所形成的铁电薄膜电畴在空间上的有序分布,首次提出利用纳米压印技术进行铁电光刻的想法,实现了金属银颗粒的自组装。相比于传统的利用原子力显微镜进行铁电光刻的耗时长、加工面积小和只适用于实验室研究等缺点,本工作所开发的铁电纳米压印工艺更具有实际应用前景。最后,纳米压印铁电薄膜在生物细胞诱导生长领域的应用。PZT材料不具有生物兼容性,而聚偏氟乙烯三氟乙烯铁电共聚物P(VDF-TrFE)由于不含有铅等有害重金属元素,在生物工程领域具有较大的应用潜力。本文先介绍生物工程研究中常用的几种衬底加工技术；当前P(VDF-TrFE)薄膜上一些生物细胞行为研究,并指出目前该方面研究较多的停留于平整的P(VDF-TrFE)薄膜上面,而表面具有纳米结构的P(VDF-TrFE)薄膜上面的生物细胞行为,如细胞对衬底表面的粘着力、铺成性和细胞增殖性等方面研究鲜有报道。本文利用纳米压印技术加工P(VDF-TrFE)纳米结构,详细研究生物细胞在P(VDF-TrFE)纳米结构上的生长习性；并且通过外加电场极化对P(VDF-TrFE)薄膜表面进行改性,研究生物细胞在表面电荷作用下的选择性吸附生长行为,为P(VDF-TrFE)薄膜进一步在生物医疗领域应用打下基础。
【作者】沈臻魁；
【导师】刘冉；
【作者基本信息】复旦大学，微电子学与固体电子学，2013，博士
【关键词】纳米压印；PZT；P(VDF-TrFE)；压电响应力显微镜(PFM)；多位存储；自组装；细胞培养；

【参考文献】
[1]薄志越.船舶电力推进操控平台设计与仿真计算研究[D].大连海事大学,船舶与海洋工程,2014,硕士.
[2]董津佑.金融危机后英国金融监管体制改革分析[D].吉林大学,世界经济,2013,硕士.
[3]鲁明羽,张红,付克明,陆玉昌.WebME——一个大型网络挖掘环境系统[J].哈尔滨工业大学学报,2004,09:1164-1167+1172.
[4]雒晓凤.数字矿山信息化平台的设计与实现[D].西安科技大学,通信与信息系统,2014,硕士.
[5]段元东.非均相Co_3O_4/GO/PMS体系催化氧化降解PVA废水的研究[D].东华大学,2015.
[6]杨世武,马沧海,杨波,刘仓,马红林.重载条件下牵引电流对桥梁区间信号电缆的影响研究[J].铁道学报,2014,05:19-27.
[7]黄海燕,顾幸生,刘漫丹.求解约束优化问题的文化算法研究[J].自动化学报,2007,10:1115-1120.
[8]程婷.元代杂剧詈称研究[D].西安外国语大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[9]孙正磊.高帧频自动调光自动白平衡彩色CCD相机设计[D].中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）,机械工程,2012,硕士.
[10]刘颖.用于神经网络学习的L_(1/2)惩罚项的数值对比试验[D].大连理工大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[11]乌云娜,李政海.锡林郭勒草原景观多样性的时间变化[J].植物生态学报,2000,01:58-63.
[12]顾丽亚.大鼠骨髓间充质干细胞exosome对自身心肌分化及抗凋亡实验研究[D].苏州大学,心血管病学（专业学位）,2013,硕士.
[13]周娜.基于位置信息的车载自组织网络广播算法研究[D].南京邮电大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[14]王雪.支持车联网连接的车载信息服务系统客户端设计与实现[D].吉林大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[15]刘建国.胡瑗“苏湖教法”及其现代价值研究[D].华东师范大学,教育,2001,硕士.
[16]代寿刚.基于ARM+FPGA的单摄像头3D重构系统设计[D].吉林大学,电路与系统,2013,硕士.
[17]傅新皓.高频磁场在高速TIG焊管中的应用[D].沈阳工业大学,材料加工工程,2013,硕士.
[18]张新颖.《小镇畸人》中的顿悟研究[D].四川外国语大学,英语语言文学,2013,硕士.
[19]袁继鑫.野生蓝莓菌根真菌的分离、鉴定及接种效应[D].北京林业大学,森林培育学,2013,硕士.
[20]何丹.苏南创新型经济发展问题研究[D].南京财经大学,政治经济学,2013,硕士.
[21]涂红.中职学校新任班主任工作中存在的问题及改进策略研究[D].湖南师范大学,教育（专业学位）,2014,硕士.
[22]徐杰.枯草芽孢杆菌nja133的抗生素抗性选育及肉品应用研究[D].南京农业大学,食品科学,2012,硕士.
[23]齐郑,白芮瑄,杨以涵.智能变电站中自动调谐消弧线圈的设计[J].电力系统自动化,2011,20:65-67.
[24]王克伟.基层检察院内设机构设置问题研究[D].内蒙古大学,法律,2014,硕士.
[25]李一平.《挪威的森林》中的拟声词拟态词的翻译[D].长春工业大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[26]林圣镇.复杂周期结构低频带隙机理研究[D].湖北工业大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[27]王晓红.丹参酮、血塞通对TNF-α诱导AQP4表达的影响及其机制研究[D].北京中医药大学,中西医结合临床,2013,硕士.
[28]李彦君.人脸五官定位算法研究[D].中北大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[29]张男.遗址博物馆建筑研究[D].天津大学,2004.
[30]汪慧.董事会特征与投资效率相关性的实证研究[D].江西财经大学,会计学,2013,硕士.
[31]任国峰.大豆异黄酮抑制前列腺增生的作用及其机理研究[D].中南大学,公共卫生与预防医学,2013,博士.
[32]邹立大.加藤HD系列挖掘机APC100系统[J].汽车电器,2005,02:29-32.
[33]赵宇欣,杨婷,黄乙菲,刘晓燕.CRM系统与我国商业银行营销[J].华南金融电脑,2005,04:25-28.
[34]姜佳佳.苏州地区第四纪地层划分对比与断裂构造活动性分析[D].中国地质大学（北京）,第四纪地质学,2013,硕士.
[35]顾海涛.流水线ADC的行为级设计[D].杭州电子科技大学,电路与系统,2014,硕士.
[36]蒋曼茹.论公民维权与政府维稳的动态平衡[D].郑州大学,政治学理论,2013,硕士.
[37]王萍.利培酮片的质量研究与技术标准制定[D].天津大学,制药工程,2003,硕士.
[38]严开.基于云的文档电子化ECM系统的研究与实现[D].上海交通大学,软件工程,2013,硕士.
[39]郭玲.中部六省城镇化发展战略与政策比较研究[D].华中科技大学,城市规划与设计,2013,硕士.
[40]辛晓志.一系列自固定FI/Zr催化剂的合成，表征及其催化烯烃聚合性能的研究[D].吉林大学,有机化学,2014,硕士.
[41]迟聪.社会转型期我国城市公共危机管理问题研究[D].长春工业大学,行政管理,2013,硕士.
[42]李宸.中国再生铝行业发展现状及政策导向研究[D].中国地质大学（北京）,公共管理,2013,硕士.
[43]王偕蓉.00Cr17Ni14Mo2超低碳不锈钢热穿孔管裂纹缺陷分析[J].四川冶金.1989(03)
[44]李南.基于STM32的交流电源稳压补偿器[D].吉林大学,无线电物理,2013,硕士.
[45]王雨.基于环金属化钯的有机金属大环化合物的合成与表征[D].辽宁大学,有机化学,2012,硕士.
[46]付建东.国有企业党的建设科学化研究[D].东北石油大学,中共党史,2013,硕士.
[47]周袁.投资组合问题建模与多目标进化算法的研究[D].广东工业大学,应用数学,2013,硕士.
[48]程锐.雷电对永磁直驱风力发电机电磁干扰的分析[D].新疆大学,电力系统及其自动化,2013,硕士.
[49]马连强.利用吸收式热泵回收氯碱蒸发工段废热的研究[D].大连理工大学,化学工程,2004,硕士.
[50]温熙胜.三峡库区坡耕地农林复合种植模式与效益研究[D].西南农业大学,水土保持与荒漠化防治,2004,硕士.