说明书基于BiFeO3和Au薄膜异质结构的信息存储装置
技术领域
本发明属于信息存储技术领域，具体涉及一种基于BiFeO3和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
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究目标。
当前存储技术的研究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。
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(“1”或“0”)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“1”或“0”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。
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。
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究的一类理想的发 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1：Sebastian A,Pantazi A,Pozidis H,and Eleftheriou E,“Nanopositioning for probe-based data storage”in Proceedings of IEEE Conference on IEEE Control Systems(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，致力于研究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,Kühler P,Longo M,Leiderer P,Afonso C N,and Siegel J,“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究内容。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。
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BiFeO3的铁电性质可以实现铁电存储，尤其是信息的“电写入”。
另一方面，铁酸铋(BiFeO3)外延薄膜折射率变化Δn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 H T,Cheong S W,et al.“Optical anisotropy and charge-transfer transition energies in BiFeO3from 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Δn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-thin perfect absorber employing a tunable phase change material.”Appl.Phys.Lett,2012,101:221101；现有技术5：Kats M A,Blanchard R,Genevet P and Capasso F.“Nanometre optical coatings based on strong interference effects in highly absorbing media.”Nature Mater,2013,12:20.】。根据该共振吸收现象，可以将BiFeO3外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”。
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
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BiFeO3的室温铁电性和光学各项异性及电光效应，制作出基于BiFeO3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。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于BiFeO3和Au薄膜异质结构的信息存储装置，该装置由BiFeO3和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 Optical Microscopy，SNOM)、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BiFeO3和Au薄膜异质结构的Au层相连，为BiFeO3和Au薄膜异质结构提供可调外加电压，C-AFM的导电探针在BiFeO3和Au薄膜异质结构BiFeO3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BiFeO3和Au薄膜异质结构BiFeO3层上表面，在BiFeO3层上表面发生反射，反射光经SNOM探针探测后进入SNOM进行光学信号读取，因此SNOM的SNOM探针既是氦氖激光器所发出激光的出射口，同时也是所述氦氖激光器输出激光入射在BiFeO3和Au薄膜异质结构表面后产生的反射光近场信号的入射口。SNOM的信号输出端与光电倍增管相连接，所述光电倍增管将SNOM输出的近场光学信号转换为电信号，该电信号输入计算机内，在计算机内进行模数转换、信号处理、阈值比较并得到读取结果。
所述的BiFeO3和Au薄膜异质结构是由具有单轴各向异性的铁酸铋BiFeO3外延薄膜层和金(Au)膜层组成的存储介质，所述BiFeO3层和Au膜层上下相叠，所述BiFeO3外延薄膜层的厚度为(50-130)nm，所述Au膜层的厚度为(200-300)nm。
所述的BiFeO3和Au薄膜异质结构由N个(N为正整数)边长约(10-100)nm的微型正方形区域组成，每个微型正方形区域均代表一个信息存储单元。
所述的直流电压源的输出电压为(10-100)V；其中C-AFM通过其探针作为外加电场的正极(Au层作为负极)对所述BiFeO3和Au薄膜异质结构的BiFeO3层进行微接触扫描以给所述BiFeO3和Au薄膜异质结构加载调制电压，实现BiFeO3和Au薄膜异质结构中某一微型正方形区域电极化方向的偏转。
所述的SNOM的SNOM探针直径为100nm、分辨率可达10nm，通过加热滴漏化学腐蚀法加工获得，同时在所述SNOM探针侧面镀一层(100-200)nm厚的铝膜或银膜，以减少反射光在其中传播时的衰减。
本发明进一步公开了一种采用如上所述基于BiFeO3和Au薄膜异质结构的信息存储装置进行信息存储的方法，该方法按如下的步骤进行：
S1.制作基于BiFeO3和Au薄膜异质结构的存储介质：由于在金膜上直接镀制外延的BiFeO3薄膜工艺十分复杂，所以先在钛酸锶(SrTiO3)晶体上生长一层大约(50～130)nm厚的BiFeO3薄膜，在此基础上再生长一层约为(200～300)nm厚的金膜，将生长好的膜系结构中镀金的一面粘贴在固定板上，利用超抛技术，将钛酸锶(SrTiO3)基底抛掉，获得所需要的 BiFeO3和Au薄膜异质结构；
S2.电写入：对所述BiFeO3和Au薄膜异质结构的BiFeO3层进行区域划分，将所述BiFeO3层划分为N个边长约(10-100)nm的微型正方形区域(每个微型正方形区域均对应一个信息存储单元)，用所述的C-AFM的导电探针对异质结构BiFeO3层上的微型正方形区域按行进行扫描，通过给不同微型正方形区域施加电场以实现对BiFeO3电极化方向的调控进而改变施加电场前后BiFeO3层折射率，对应每个微型正方形区域表面不同的反射光强，即认为存储单元是在“1”或“0”状态，实现了“1”或“0”写入，即“电写入”；
S3.光读取：氦氖激光器发出的激光经由入射光纤引导并通过所述SNOM的SNOM探针入射到BiFeO3和Au薄膜异质结构BiFeO3层上折射率不同的正方形区域后，每个正方形区域的反射光强会因入射光被吸收程度不同而不同，每个正方形区域的反射光经所述SNOM探针探测沿入射光纤返回进入所述SNOM，由SNOM探测得到的反射光近场光学信号进入所述的光电倍增管放大并转换为电信号后进入计算机，操作员在读取工作开始前根据BiFeO3和Au薄膜异质结构被施加外电场前后光电倍增管输出电信号变化情况在计算机内设定一最大、最小值间的中间值为阈值，所述计算机将得到的数据与设定好的光强阈值进行比较来识别判定，确定此区域的信息状态，实现“光读取”。
本发明具有以下有益效果：
1.根据本发明设计的基于BiFeO3和Au薄膜异质结构的存储介质，当在划分后的某一区域施加电场并改变电场方向时，BiFeO3薄膜层中的电极化方向会发生偏转，表现为电场对极化方向调控的非易失性，同时撤掉电场后，被调制的极化强度能够很好地保持，即达到快速写入信息、保存时间长的效果；
2.由于信息写入时并不需要施加很高的电压，所以能耗较低；
3.信息读写只需要在室温下就可以实施，因此对外界环境要求低、成本低；
4.信息存储器件中的BiFeO3和Au薄膜异质结构在加电场调制后的反射光强变化大，设定阈值动态范围大，通过进场光学的方式实现信息读取，这种“光读取”的方式速度快，而且是非破坏性的。
综上所述，通过把铁电存储的信息“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”，这种信息存储方式有利于实现信息写入，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。
附图说明
图1是BiFeO3和Au薄膜异质结构在不同厚度BiFeO3下的共振吸收谱线(a)和BiFeO3厚度为90nm时正入射下电光调制前后的共振吸收谱图(b)：可以发现不同厚度的BiFeO3层下的表面反射率谱有较大变化，同时经电光调制后的异质结构表面反射率发生明显变化；
图2是本发明基于BiFeO3和Au薄膜异质结构的“电写光读”原理仿真示意图；
其中(a),(b)分别为BiFeO3薄膜的折射率分布，可通过C-AFM针尖加电场来实现折射率的变换；(c),(e)为(a)对应的折射率分布下，表面光强的模拟结果；(d),(f)为(b)对应的折射率分布 下，表面光强的模拟结果；(c),(e),(d),(f)图比例尺表示测量值与测得最小值之间的比例；
图3是本发明提出的基于BiFeO3和Au薄膜异质结构的信息存储介质的结构示意图；
其中1为铁酸铋(BiFeO3)外延薄膜层、2为金(Au)层；
图4是基于BiFeO3和Au薄膜异质结构的信息存储装置的结构示意图；
其中1为BiFeO3和Au薄膜异质结构、2为导电探针原子力显微镜(C-AFM)、3为直流电压源、4为氦氖激光器、5为扫描近场光学显微镜(SNOM)、6为入射光纤、7为光电倍增管、8为计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明所基于的原理在于：通过计算不同厚度下BiFeO3和Au薄膜异质结构的反射光谱曲线，发现该光谱曲线存在共振吸收峰，如图1(a)所示；然后再给BiFeO3和Au薄膜异质结构施加外电场，使其电极化翻转，进而改变光轴的方向和折射率，再次计算此时BiFeO3和Au薄膜异质结构的反射光谱曲线，并和电极化翻转之前的计算结果相对比，发现BiFeO3和Au薄膜异质结构反射光谱曲线的共振吸收峰有明显移动，对应巨大的电光效应，如图1(b)所示。同时根据实际应用需求，需要对BiFeO3和Au薄膜异质结构表面进行区域划分以提高信息存储的密度。对于不同的区域，因为在不同外加电压的情况下BiFeO3薄膜的折射率不同，当同一光强的入射光照射到BiFeO3和Au薄膜异质结构表面的不同区域时，反射光强会不同，如图2的光场模拟结果所示：当划分的区域的折射率不同时，计算所得各区域的表面光场不同——即对应着不同的信息写入状态(“1”或“0”)，因此可以利用BiFeO3薄膜的铁电特性，通过施加电场实现信息的写入，然后利用BiFeO3和Au薄膜异质结构的电光效应，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实现信息的读取，就可以在BiFeO3和Au薄膜异质结构上实现信息的“电写入，光读取”。基于以上原理，设计了本发明所述的基于BiFeO3和Au薄膜异质结构的信息存储装置。
首先，进行BiFeO3和Au薄膜异质结构的制作。由于在金膜上直接镀制外延的BiFeO3薄膜工艺十分复杂，所以先在钛酸锶(SrTiO3)晶体上生长一层大约(50～130)nm厚的BiFeO3薄膜，在此基础上再生长一层约为(200～300)nm厚的金膜，将生长好的膜系结构中镀金的一面粘贴在固定板上，利用超抛技术，将钛酸锶(SrTiO3)基底抛掉，就获得了所需要的BiFeO3和Au薄膜异质结构，如图3所示。
实际应用中，为了增加所述BiFeO3和Au薄膜异质结构的存储密度，需要对BiFeO3和Au薄膜异质结构进行区域划分，区域划分的具体方法如下：对所述的BiFeO3和Au薄膜异质结构1进行正方形网格划分，网格边长设定为(10-100)nm之间的某一数值，并对网格进行(X,Y)坐标编排，其中X,Y分别代表网格所在的行数与列数，1≤X≤N，1≤Y≤N，N为正整数；用C-AFM2对所述的BiFeO3和Au薄膜异质结构1BiFeO3层表面进行扫描定位，所述扫描定位的方法如下：将需要进行信息写入区域所在网格对应的X、Y值与网格边长设定值相乘即可得到C-AFM探针悬臂需要移动的X轴及Y轴距离，在需要对某一区域进行信息 写入时将两方向移动距离输入C-AFM2进行探针悬臂移动。
本发明所述基于BiFeO3和Au薄膜异质结构的“电写入、光读取”信息存储装置其结构图如图4所示。C-AFM2与SNOM5通过NT-MDT公司生产的NTEGRA平台集成，只需在操作台上转换C-AFM探针或是SNOM探针即可实现写入及读取的不同的应用，提高了存储系统的使用便捷性；把C-AFM的探针和BiFeO3和Au薄膜异质结构的Au层作为加电压的两极连接(10-100)V直流电压源。通过C-AFM针尖加电场来实现区域折射率的切换，从而完成信息的写入；入射光纤6的一端连接至氦氖激光器4，另一端连接至所述SNOM5的SNOM探针，氦氖激光器4发出的激光通过所述SNOM探针入射到BiFeO3和Au薄膜异质结构1BiFeO3层上折射率不同的正方形区域后，每个正方形区域的反射光强会不同，每个正方形区域的反射光通过SNOM探针进入SNOM(5，所得到的反射光近场光学信号进入光电倍增管7放大并转换为电信号后进入计算机8，操作员在读取工作开始前根据BiFeO3和Au薄膜异质结构1被施加外电场前后光电倍增管7输出电信号变化情况在所述计算机8内设定一最大、最小值间的中间值为阈值，计算机8将数据与设定好的光强阈值进行比较来识别判定，确定此区域的信息状态，实现“光读取”。
本发明通过基于BiFeO3和Au薄膜异质结构的电光效应和BiFeO3的铁电特性，利用NTEGRA平台集成将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，通过用C-AFM的导电探针在BiFeO3和Au薄膜异质结构表面上施加电场改变其电极化状态实现信息的写入，即“电写入”；不同的电极化状态对应的折射率不同从而对应着不同的表面反射光场，通过用针尖近场光学技术测量BiFeO3和Au薄膜异质结构表面的微区光场，实现信息的读取，即“光读取”。