有機鐵電薄膜材料的介紹

有機鐵電薄膜材料的介紹

有機鐵電薄膜的製備方法包括溶膠－凝膠法、旋塗法(Spin-Coating)、分子束外延技術及Langmuir-Blod-get膜技術等。與(yu) 傳(chuan) 統的無機材料相比，有機聚合物材料具有易彎曲、柔韌性好、易加工、成本低等優(you) 點而備受關(guan) 注。作為(wei) 一種的鐵電體(ti) ，鐵電高分子聚合物的研究主要以聚偏氟乙烯(PolyVinylideneFluoride，PVDF)及其共聚物為(wei) 代表。此外，具有鐵電性的聚合物材料還有聚三氟乙烯、聚氨酯和奇數尼龍等。有機鐵電材料具有良好的壓電和電致伸縮效應、熱電效應、光電效應、光學非線性效應和介電響應，廣泛應用於(yu) 傳(chuan) 感器、探測器、換能器、非易失性存儲(chu) 器等電子器件中。這裏主要介紹以聚偏氟乙烯及其共聚物為(wei) 代表的鐵電高分子聚合物材料在存儲(chu) 器中的應用。

正如前麵提到的，聚偏氟乙烯及其共聚物是目前研究廣泛的鐵電聚合物。20世紀60年代末，Kawai發現聚合物PVDF具有鐵電性。隨後，人們(men) 對PVDF的微觀結構和功能機理進行了研究，深入了解了這一鐵電聚合物。PVDF有幾種不同的構型，包括全反式TTTT，順反交替式TG+，TG－，TTTG+和TTTG－構型。這些不同構型的分子鏈按照不同的排列方式造成了PVDF不同的晶形，其中α，β，γ和σ相是4種常見的晶形。β相的分子鏈是全反式構型，偶極子按相同方向排列，具有較大的自發極化強度。α相中的分子鏈呈無極性的排列，偶極矩由於(yu) 相互抵消整體(ti) 不顯極性。γ和σ相具有較弱的極性。而偏氟乙烯(VinylideneFlu-oride)和三氟乙烯(Trifluoro-Ethylene)的二元共聚物(P(VDF-TrFE))具有比PVDF更好的鐵電性能。這是因為(wei) 用氟取代氫後，氟原子的直徑略大於(yu) 氫原子的直徑，在空間位阻的作用下，全反式的TTTT結構更容易形成。圖3中展示了不同物質的量比的VDF/TrFE共聚物的D-E回線和介電常數隨溫度的變化。VDF物質的量分數為(wei) 75%的共聚物展現了較好的電滯回線，剩餘(yu) 極化強度和矯頑場分別為(wei) 100mC/m2和50MV/m。鐵電存儲(chu) 器利用鐵電材料產(chan) 生的不同方向的剩餘(yu) 極化來存儲(chu) 信息，基於(yu) 有機鐵電聚合物薄膜的電容結構的鐵電存儲(chu) 器在1995年被提出。用P(VDF-TrFE)鐵電聚合物薄膜製備的鐵電存儲(chu) 器展現了較好的性質，但其自身存在著破壞性讀取的缺點。

針對鐵電存儲(chu) 器破壞性讀取的缺點，研究人員曾經探索過一種新的非破壞性讀取的器件結構。嚐試用鐵電體(ti) 薄膜替代 MOS 晶體(ti) 管中的柵介質層，這樣可以通過柵極電壓改變鐵電體(ti) 薄膜的極化狀態實現對源漏電流的調製。根據源漏電流的相對大小即可讀出存儲(chu) 信息，不會(hui) 影響鐵電體(ti) 薄膜的極化狀態，因此讀取是非破壞性的。Yamauchi 在 20 世紀 80 年代中期提出了把鐵電聚合物薄膜作為(wei) 柵介質層應用在場效應管中實現非易失性存儲(chu) 的想法。由於(yu) 鐵電聚合物薄膜可以在室溫下製備，避免各層物質間的相互擴散，因此有機鐵電薄膜在鐵電場效應管中展現了一定優(you) 勢，有效避免了無機鐵電薄膜製備過程中為(wei) 防止互擴散而使用的緩衝(chong) 層。2004 年， Schroeder 等人報道了利用共聚酰胺 Poly ( m-xylylene Adipamide)鐵電聚合物薄膜製備的鐵電場效應管，該器件全部由有機材料構成。其轉移特性曲線表現出了明顯的滯後現象: 在 － 2. 5 V 柵電壓下，器件高、低電阻態電阻值比為(wei) 200，保持時間約3 h。在該器件中，並五苯半導體(ti) 薄膜是在真空中蒸鍍的。2005 年，Naber 等人通過旋塗法製備了聚合物鐵電場效應存儲(chu) 器。該器件選用P(VDF-TrFE)(65∶35)作為(wei) 柵介質層，MEH-PPV (Poly［2- Methoxy-5-(2-Ethyl-Hexyloxy)-p-Phenylene-Vinylene］) 作為(wei) 半導體(ti) 層。作為(wei) 對比，另一器件選擇無鐵電性的 PTrFE作為(wei) 柵介質層。結果表明，非鐵電性 PTrFE 薄膜作為(wei) 柵介質層的器 件 無 存 儲(chu) 效 應，而選用鐵電薄膜 P( VDF- TrFE)作為(wei) 柵介質層的器件展現了存儲(chu) 特性: 0 V柵電壓下，器件高、低電阻態電阻值比超過 104 ; 保持時間超過 7 d; 穩定工作 1 000 次以上; 寫(xie) 入速度和擦除速度分別為(wei)  0. 3 ms 和 0. 5 ms。

由於(yu) 用鐵電薄膜的有機薄膜場效應管存儲(chu) 器展現了較好的存儲(chu) 特性，具有簡單的器件結構，因此它們(men) 可以直接合成到現今的有機場效應管電路中。下一步需要改進的是鐵電薄膜和半導體(ti) 的接觸界麵和提高保持性能。