鐵電材料及其應(yīng)用 (2)

1、鐵電材料及其應(yīng)用鐵電材料及其應(yīng)用目錄 鐵電基礎(chǔ) 有機(jī)鐵電聚合物薄膜PVDF 文獻(xiàn)閱讀基本概念基本概念鐵電材料鐵電材料（Ferroelectrics）1.具有自發(fā)極化強(qiáng)度（Ps）必要條件 Spontaneous Polarization2.極化方向可隨外加場(chǎng)變化 Switchable Ps鐵電基礎(chǔ) 主要特征主要特征1.電滯回線(xiàn)（hysteresis loop）鐵電態(tài)的自發(fā)極化Ps剩余極化Pr矯頑電場(chǎng)Ec鐵電基礎(chǔ)電疇電疇：鐵電體中自發(fā)極化方向一致的小區(qū)域疇壁疇壁：電疇與電疇之間的邊界電疇180疇壁90疇壁鐵電基礎(chǔ) 發(fā)展概況發(fā)展概況1.羅息鹽時(shí)期發(fā)現(xiàn)鐵電性2.KDP時(shí)期熱力學(xué)理論3.鈣鈦礦時(shí)期軟模理

2、論4.鐵電薄膜及器件時(shí)期小型化鐵電基礎(chǔ) 性質(zhì)與相應(yīng)器件性質(zhì)與相應(yīng)器件壓電材料熱電材料鐵電材料鐵電基礎(chǔ)鐵電存儲(chǔ)器（鐵電存儲(chǔ)器（MFSFET）在MOS中用鐵電薄膜（F）代替二氧化硅柵氧化物薄膜（O）構(gòu)成MFSFET場(chǎng)效應(yīng)管 由于極化滯后，漏電流展現(xiàn)兩種狀態(tài)：ON/OFF 讀寫(xiě)過(guò)程不需要大電場(chǎng)，在讀寫(xiě)后也不需要重寫(xiě)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單鐵電基礎(chǔ)1.非揮發(fā)性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器（NvFRAM）u存儲(chǔ)的信息斷電不會(huì)丟失u鐵電體不僅作為電容而且是存儲(chǔ)器的一部分優(yōu)點(diǎn)：低電壓運(yùn)作（1.0-5.0V），低功耗小尺寸，僅為EEPROM單元的20抗輻射（軍用，衛(wèi)星通信）高速（200ns讀?。┮着c其他Si器件集成鐵電基礎(chǔ)2.鐵電動(dòng)態(tài)隨

3、機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM） 鐵電薄膜具有大的介電常數(shù)(=100-2000)，代替SiO2(=3.9)，可減小存儲(chǔ)單元面積鐵電基礎(chǔ)本組工作 有機(jī)聚合物鐵電超薄膜PVDFPVDF有幾種不同的構(gòu)型，包括全反式TTTT，順?lè)唇惶媸絋G+，TG-，TTTG+和TTTG-構(gòu)型。不同構(gòu)型的分子鏈按照不同的排列方式造成了PVDF不同的晶形，常見(jiàn)有，四種晶形。聚偏氟乙烯聚三氟乙烯聚氨酯奇數(shù)尼龍鐵電聚合物的種類(lèi) 種類(lèi)種類(lèi)鐵電聚合物的研究主要是聚偏氟乙烯及其共聚物鐵電聚合物的研究主要是聚偏氟乙烯及其共聚物有機(jī)聚合物鐵電超薄膜PVDFPVDFPVDF及共聚合物具有以下優(yōu)點(diǎn)及共聚合物具有以下優(yōu)點(diǎn) PVDF PVDF 的處理溫

4、度低于的處理溫度低于200200，有利于他們與半導(dǎo)體技術(shù)集，有利于他們與半導(dǎo)體技術(shù)集成；成； PVDF PVDF 薄膜具有二維鐵電性，即使厚度只有幾十納米，其薄膜具有二維鐵電性，即使厚度只有幾十納米，其鐵電和熱釋電性仍不具有明顯變化。鐵電和熱釋電性仍不具有明顯變化。 它們能夠被沉積在各種各樣的基片上，如柔性的聚酰亞胺它們能夠被沉積在各種各樣的基片上，如柔性的聚酰亞胺基片；基片； 不含鉛等有害物質(zhì)，原料合成與薄膜制備的費(fèi)用低；不含鉛等有害物質(zhì)，原料合成與薄膜制備的費(fèi)用低； PVDF PVDF 基薄膜適用于光刻等微加工技術(shù)?；∧みm用于光刻等微加工技術(shù)。 PVDF PVDF 薄膜具有很好的力學(xué)性能

5、，可以制備自支撐結(jié)構(gòu)的薄膜具有很好的力學(xué)性能，可以制備自支撐結(jié)構(gòu)的探測(cè)器。探測(cè)器。有機(jī)聚合物鐵電超薄膜PVDF PVDF 薄膜的制備PVDF+溶劑PVDF溶液PVDF初膜PVDF薄膜樣品超聲真空脫氣真空熱處理硅基旋涂有機(jī)聚合物鐵電超薄膜PVDFPVDF分子式分子式非極性基團(tuán)（親油）非極性基團(tuán)（親油）極性基團(tuán)（親水）極性基團(tuán)（親水）可視為雙親分子可視為雙親分子膜厚易于精確控制可形成單分子層膜或多層膜成膜條件容易實(shí)現(xiàn)獲得特種要求的超薄膜。有機(jī)聚合物鐵電超薄膜PVDF第一步：水第一步：水-氣界面形成單分子層氣界面形成單分子層有機(jī)聚合物鐵電超薄膜PVDF第二步：轉(zhuǎn)移至固相襯底制膜第二步：轉(zhuǎn)移至固相襯底

6、制膜水平附著法有機(jī)聚合物鐵電超薄膜PVDF PVDF 薄膜的應(yīng)用一、有機(jī)鐵電存儲(chǔ)器一、有機(jī)鐵電存儲(chǔ)器若采用有機(jī)半導(dǎo)體，則可以實(shí)現(xiàn)全有機(jī)的鐵電存儲(chǔ)器存在問(wèn)題存在問(wèn)題：需要提高剩余極化、減低工作電壓、增加薄膜的結(jié)晶度和優(yōu)化結(jié)晶方向、解決界面效應(yīng)、提升疲勞特性和提高介電常數(shù) 等等。有機(jī)聚合物鐵電超薄膜PVDF二、熱釋電紅外探測(cè)器二、熱釋電紅外探測(cè)器無(wú)機(jī)無(wú)機(jī)含鉛含鉛鐵電材料如：鐵電材料如：PZTPZT、PSTPST已成為非制冷紅外已成為非制冷紅外探測(cè)器中的主要鐵電材料。探測(cè)器中的主要鐵電材料。但傳統(tǒng)的熱釋電材料與硅基讀出電路系統(tǒng)的集成存但傳統(tǒng)的熱釋電材料與硅基讀出電路系統(tǒng)的集成存在比較大的問(wèn)題，導(dǎo)致了

7、焦平面器件的可靠性差。在比較大的問(wèn)題，導(dǎo)致了焦平面器件的可靠性差。有機(jī)聚合物鐵電超薄膜PVDF 開(kāi)始我們?cè)O(shè)計(jì)制備基于P（VDF-TrFE）_LB 薄膜的單元紅外探測(cè)器，探測(cè)電壓響應(yīng)率為1700 V/W。PVDF薄膜在紅外探測(cè)器中的應(yīng)用有機(jī)聚合物鐵電超薄膜PVDF 改進(jìn)探測(cè)器結(jié)構(gòu)后，制備了自支撐結(jié)構(gòu)單元器件，通過(guò)改進(jìn)吸收層特性，探測(cè)器電壓響應(yīng)率提高到 4000 V/W 左右，熱學(xué)時(shí)間常數(shù)也由 50 ms 減小到 35 ms有機(jī)聚合物鐵電超薄膜PVDF文獻(xiàn)閱讀電熱效應(yīng) 定義：The electrocaloric effect (ECE) is the change in temperature a

8、nd/or entropy of a dielectric material due to the electric field induced change of dipolar states. 原理：文獻(xiàn)閱讀電熱效應(yīng)的大小1.直接測(cè)量： 直接測(cè)量外電場(chǎng)變化引起的等溫熵變S和絕熱溫度變化T thermocouple thermometer calorimeter 文獻(xiàn)閱讀 Maxwell relations2.理論推導(dǎo)文獻(xiàn)閱讀 the electric displacement as a function of electric field measured at various temperatures文獻(xiàn)閱讀方法對(duì)比the electric displacement as a function of electric field at different tempe