P(VDF--TrFE)铁电薄膜的性能研究及铁电隧道结的研制
铁电薄膜由于其众多独特的性质,如铁电性、压电性、热电性等而倍受关注.尤其是最近十年来,人们制备出了超小尺寸的具备铁电性的纳米铁电薄膜、纳米铁电颗粒等结构,从而打破了尺寸效应对铁电材料极限尺寸的预言,也从而使人们憧憬着利用这一突破来制备具有实用意义的器件.偏聚二氟乙烯PVDF及其共聚物是一种生长便利、性能稳定的有机铁电材料,而且能使用Langmuir-Blodgett(LB)沉积技术很方便地将其制备成超薄的纳米尺寸的薄膜,该纳米尺寸的PVDF及其共聚物薄膜被认为具有二维铁电性,也因此PVDF及其共聚物是被研究得最广泛的聚合物材料之一.本文首先对PVDF与三氟乙烯单体的共聚物P(VDF-TrFE)薄膜的基本性质(如介电性、铁电性、玻璃相变等)进行了研究,然后用LB沉积技术制备了超薄的P(VDF-TrFE)薄膜,并在其基础上制备了具有对称电极结构和非对称电极结构的铁电隧道结,得到了以下的主要结果:
1.制备了P(VDF-TrFE)薄膜,研究了其疲劳特性应为电荷注入引起的,并定量描述了其疲劳特性中存在的一个反常的剩余极化增大的过程.运用旋涂法制备了厚度4层(约280nm)的P(VDF-TrFE)薄膜,其铁电性良好,并测试其疲劳特性发现存在一个反常的剩余极化增大的过程.在该反常的剩余极化增大的过程后,薄膜的剩余极化随所加交流电场的周期数量增大而急剧减小.在排除掉90°畴引起的应力、带电缺陷的迁徙及聚集、畴钉扎(pinning)、死层(dead-layer)生长等原因后,最终认定P(VDF-TrFE)薄膜的疲劳是由电荷注入引起的.在Lou等人提出的电荷注入引起疲劳的定量机制的基础上,解释了P(VDF-TrFE)薄膜的剩余极化的Kohlrausch-Williams-Watt指数衰减是由于畴核分解几率的分布引起的.然后对P(VDF-TrFE)薄膜的反常剩余极化增大现象做了定量描述,并结合引起P(VDF-TrFE)薄膜剩余极化减小的Kohlrausch-Williams-Watt指数衰减模型,很好地拟合了P(VDF-TrFE)薄膜的疲劳特性.
2.将无机磁性纳米粒子掺入了P(VDF-TrFE)薄膜并发现掺杂后薄膜的玻璃相变温度区域向低温方向移动,其原因应为无机纳米粒子与聚合物分子中间存在空隙,也因此掺杂后的薄膜中不存在磁电耦合效应.首先利用超声振荡将纳米Co颗粒掺入P(VDF-TrFE)前驱体溶液来制备P(VDF-TrFE):Co渗流混合物薄膜,但发现掺杂后薄膜的介电性质并不符合渗流理论的描述,其介电实部有少量的增加,而介电损耗反而减小.结合XRD测试发现,掺入的Co纳米粒子大部分被氧化成Co2O3.而掺杂后薄膜的介电损耗减小是因为玻璃相变温度区域向低温方向移动导致的,根据描述玻璃相变的自由体积理论,我们认为是因为无机纳米粒子与聚合物分子中间存在空隙,薄膜中自由体积增多导致的.而薄膜中不存在磁电耦合效应也是因为两者之间的空隙,使铁电相与铁磁相之间不存在应力耦合.
3.详细地分析了P(VDF-TrFE)薄膜在非相变温度区域内的介电性质,发现在该温度区域内P(VDF-TrFE)薄膜的介电驰豫很好地符合了德拜介电驰豫模型,而且用德拜介电驰豫模型计算出来的P(VDF-TrFE)薄膜在不同温度下的平均驰豫时间随温度的倒数指数变化,符合双势阱模型.用双势阱模型对P(VDF-TrFE)薄膜的平均驰豫时间随温度的变化进行拟合,拟合出来的了双势阱之间的势垒的高度(激活能).
4.制备了铁电隧道结,测试了其(I)-(V)特性,发现具有TER效应,主要结果如下:以LB方法制备的超薄P(VDF-TrFE)薄膜(几个nm厚)为基础制备了具不对称电极结构的LNO/P(VDF-TrFE)/Al隧道结和具对称电极结构的Al/P(VDF-TrFE)/Al隧道结.用AFM表征了底电极与铁电薄膜的表面形貌,并用PFM表征了P(VDF-TrFE)薄膜的铁电性.然后测试了LNO/P(VDF-TrFE)/Al隧道结的I-V特性并发现其具有很大的TER(Tunnelingelectroresistanceeffects)效应.而在用C-V特性表征完Al/P(VDF-TrFE)/Al隧道结的铁电性后,我们发现Al/P(VDF-TrFE)/Al隧道结也具备微弱的TER效应,该TER效应含静电势影响及电致伸缩引起的应变影响两种贡献,测到的(I)-(V)特性形状与理论结果符合得很好.
- 作者：
- 袁声召
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 微电子学与固体电子学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 褚君浩；孟祥建
- 关键词：
- P(VDF-TrFE)铁电薄膜；疲劳特性；电荷注入；玻璃相变；德拜介电驰豫；铁电隧道结；TER效应
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