一种原位高分辨观察相变材料电致相变过程的透射电镜薄膜窗口

技术领域

本发明涉及一种透射电子显微镜薄膜窗口，具体为利用聚焦离子束和掩模板方法，实现制备一种可以原位高分辨观察相变材料电致相变过程的透射电镜薄膜窗口。属于纳米材料性能原位测试领域。

背景技术

相变存储器(PCRAM)最为核心的是以硫属化合物为基础的相变材料。目前，相变存储器被认为是最有可能取代目前的主流产品而成为未来存储器的主流产品的下一代半导体存储技术。相变存储就是利用相变材料如硫属化合物在晶态与非晶态两种状态下性能的巨大区别来实现01存储，例如光学上折射率，电学上电阻值的差异。通过热或其他方式，PCM就能在两相间进行转换：用脉冲较短振幅较大的脉冲实现非晶化，而通过脉冲较长振幅较小的脉冲实现晶化。对于其相变过程的机制，通常的理解是：大振幅的脉冲实现对材料的加热(电能转换为焦耳热)，在焦耳热的作用下，当温度升高到材料熔点以上时，然后通过快速冷却(降温速率高达10⁹K/s)把原子固定在一种无序的位置,材料由熔融态直接进入非晶态；通过施加一个时间较长、强度中等的电脉冲，对材料进行加热，使温度到达结晶温度以上，熔化温度以下，从而晶化。随着科技的发展，人们对相变机制的传统解释提出了疑问，对多种相变材料微观结构与相变机制研究成为近几年来相变材料研究领域的热点，尤其实际应用中因为相变材料处于期间内部，相变过程很难实时跟踪，也成了其结构与电性能研究的难点。其可逆相变机理、相变过程的载流子的突变与电脉冲在其中的作用在国际上还没有统一的说法，在这些方面的突破可为开发出性能优良的相变材料提供理论指导。因此，人们希望能揭示该材料快速相变的原子机理，及其在电场、电脉冲作用下真实的相变过程，以解决在这一领域存在的争议，以更好的指导相变存储器件的设计与使用。

透射电子显微镜是研究物质微观结构的有力工具，是揭示相变存储材料相变过程原子机制的重要手段。目前透射电镜的分辨率已经到达亚埃级。但是由于对样品厚度的要求极高，一般厚度不超过100nm。随着纳米技术的发展和纳米器件的开发，纳米材料在外场尤其是电场作用下的电学性能和电场效应，成为人们研究的焦点。但是，由于现实应用中所用的垂直相变存储器中相变材料处于器件中间，不能直接观察。因此需要将材料做成可以观察的水平相变存储器，而这又要求材料在一个短而狭长的区域中，才能保证热量集中在一个很小的区域内，并完成材料的相变过程。在透射电子显微镜中如何对相变材料进行固定和电场的加载，从纳米尺度和原子层次揭示相变材料在外加电场作用下的电学性能和电场效应成为摆在研究者面前的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现实应用中所用的垂直相变存储器中相变材料处于器件中间不能直接观察的缺陷，提供一种电极间距和样品尺寸可控的透射电镜电学测量载网，能够利用透射电子显微镜原位实时记录相变材料在电场作用下的结构演变和电学性能变化。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种高分辨观察相变材料电致相变过程的透射电镜薄膜窗口，其特征是制备方法包括以下步骤：

步骤一：用金属片作为掩模板，在掩模板上加工出电极的形状，中空部分通过激光切割或金属刻蚀的方法得到；

步骤二：将掩模板覆盖在Si₃N₄薄膜窗口上，利用镀膜机镀上金属电极，然后将掩模板取下获得两个电极；

步骤三：在所得的两个电极之间使用聚焦离子束FIB进行电子束沉积，制备出两个Pt电极；然后利用FIB对两个电极之间的Si₃N₄薄膜以及对两个Pt电极之间的薄膜进行切割加工桥状结构的样品平台；

步骤四：在上述样品平台使用磁控溅射镀上薄膜样品；用导电胶将透射电镜通电样品杆与电极相连进行原位电学实验。

在上述方案的基础上，本发明可以有如下改进：

进一步，所述步骤一掩模板材料为金、钼、铜、铁、铝或镍。

进一步，步骤二中两个电极间距为10～100μm。

进一步，步骤三中两个Pt电极间距为0.1～10μm。

进一步，桥状结构的样品平台宽度为10～1000nm。

进一步，所述步骤一中掩模板材料可以由以下材料中的一种或多种组成：Au、Pt、Cu、W、Fe、Ni、Al、Ti。掩模板厚度为0.01mm～2mm。

进一步，所述步骤二中的商用Si₃N₄薄膜窗口Si₃N₄薄膜厚度为1nm～500nm。

进一步，所述步骤三中电极材料可以由以下材料中的一种或多种组成：Au、Pt、Cu、W、Fe、Ni、Al、Ti。电极距离2μm～100μm。

进一步，所述步骤四中两电极间距为10nm～10μm，电极宽度为10nm～10μm。

进一步，所述步骤五中所述薄膜材料可以为单层或多层，可以通过磁控溅射、原子层沉积、化学气相沉积、电子书蒸发沉积得到。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

1.本发明可以直接在透射电镜样品上制备电极，电极间距可控，可以保证相变材料完成相变过程，并可以研究尺寸不同情况下纳米材料的电学响应；

2.本发明直接应用了透射电镜载网，可以方便的装入高分辨透射电镜中，可以在原位通电的同时实现高分辨观察；

3.本发明在透射电镜样品上可以同时制备多个电极，每个电极区域之间均存在待测样品，且样品之间互不影响。

本发明的有益效果是：本发明针对原位TEM测试要求，提出一种制备TEM电学样品的方法。制备过程简单、成功率高，消除了传统FIB制备TEM所需的提取转移步骤，并避免传统FIB加工对样品的伤害。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例未加工前所用的Si₃N₄薄膜的结构示意图。

图2是本发明实施例所用金属掩模板的结构示意图。

图3本发明实施例磁控溅射Au、Pt等金属电极后Si₃N₄薄膜的结构示意图。

图4是本发明实施例聚焦离子束沉积Pt电极和切割加工后的Si₃N₄薄膜的结构示意图。

图5是本发明实施例加工完成后的完整实验平台的结构实验图。

图6是本发明实施例提供的制备方法制备的Ge₂Sb₂Te₅的相变存储器TEM样品的TEM照片。

图中1.Si₃N₄薄膜，2.金属掩模板，3.Au、Pt等金属电极，4.FIB沉积的Pt电极，5.FIB加工切割掉的Si₃N₄薄膜，6样品平台。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并不用于限定本发明的应用范围。

实施例1

本发明用于原位电学测试的透射电镜的制备方法包括以下步骤：

步骤一：用容易加工的镍片作为掩模板，在掩模板上加工出电极的形状，中空部分通过激光切割或金属刻蚀的方法得到，掩模板厚度约为0.2mm，且掩模板表面保持平整。

步骤二：将掩模板覆盖在SiN_x薄膜窗口上，利用镀膜机镀上200nm厚的Au作为电极，然后将掩模板取下获得电极，电极之间为薄膜材料。由于溅射阴影区域的存在，电极之间距离设计为10μm。

步骤三：在所得的电极两端使用FIB进行电子束沉积，制备出间距1μm的Pt电极。然后利用聚焦离子束，对电极之间的Si₃N₄薄膜对Pt电极之间的薄膜进行切割加工，得到宽度为50nm的桥状结构的样品平台。

步骤四：在已经做好电极的Si₃N₄薄膜窗口上，使用磁控溅射镀上薄膜样品。用导电胶将透射电镜通电样品杆与电极相连进行原位电学实验，通过合适的电脉冲即可实现相变材料的可逆相变。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。