有机铁电薄膜的电疲劳恢复特性研究
铁电材料的研究热点
铁电材料的研究热点摘要：铁电材料具有优秀的电学性能，其电子元件集成度高、能耗小、响应速度快。
目前研究者将铁电材料同其它技术相结合，使新诞生的集成铁电材料性能更为优秀。
本文介绍了有压电材料、储能用铁电介质材料、有机铁电薄膜材料、多铁性材料、铁电阻变材料的研究状况。
关键词：铁电；压电材料；铁电储能；有机铁电薄膜材料；多铁性材料；铁电阻变1 铁电材料的研究背景铁电体早在20世纪40年代就引起物理学界的关注，但由于大快铁电晶体材料不易薄膜化，与半导体和金属不相兼容，使其未能在材料和信息领域扮演重要的角色，随着薄膜技术的发展，克服了制备高质量铁电薄膜的技术障碍，特别是能在不同衬底材料上沉积高质量的外延或择优取向的薄膜，使铁电薄膜技术和半导体技术的兼容成为可能。
由于人工铁电材料种类的不断扩大，特别是铁电薄膜技术和微电子集成技术长足发展，也对铁电材料提出了小型化，集成化等更高要求，正是在这样的研究背景下，传统的半导体材料和陶瓷材料结合而形成新的叫交叉学科——集成铁电学（Integrated Ferroc-Icctrics）出现了，并由此使铁电材料及其热释电器件的研究开发呈现了两个特点：①是由体材料组成的器件向薄膜器件过渡；②是由分立器件向集成化器件发展。
集成铁电体是凝聚态物理和固态电子学领域的热门课题之一。
铁电材料有着丰富的物理内涵，除了具备铁电性之外，还具有压电性、介电性、热释电性、光电效应、声光效应、光折变效应以及非线性光学效应等众多性能，可用于制备电容器件、压力传感器、铁电存储器、波导管、光学存储器等一系列电子元件，铁电材料因其广阔的应用前景而倍受关注。
目前的铁电器件往往仅单独用到了铁电材料中的单一性能，如压电性或者热释电性。
将铁电材料中的性能综合在一起或者将铁点技术同半导体等其他技术结合在一起的集成铁电材料有着更为强大的功能。
铁电材料的研究进展主要包括[1]：①提高现有材料的单一性能，儒压电材料中准同型相界以及合适的晶格取向会大幅度提高压电系数。
《Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控》范文
《Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控》篇一一、引言随着现代电子技术的飞速发展，铁电材料因其独特的电性能和物理特性在微电子器件、传感器和储能器件等领域得到了广泛的应用。
Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜作为一种新型的铁电材料，具有优异的电性能和良好的稳定性，在铁电存储器、传感器和储能器件等领域具有巨大的应用潜力。
本文将重点探讨Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫与储能特性调控，为进一步优化其性能提供理论依据。
二、Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性主要表现在其电性能随时间的变化。
在电场作用下，薄膜内部的极化过程会受到温度、频率和电场强度等因素的影响，导致其电性能发生弛豫现象。
为了研究这一现象，我们采用了多种实验手段，如介电谱、铁电测试等，对Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的弛豫特性进行了深入分析。
首先，我们通过介电谱测试得到了薄膜在不同温度和频率下的介电常数和介电损耗。
结果表明，随着温度的升高和频率的降低，薄膜的介电常数逐渐增大，而介电损耗则呈现出先减小后增大的趋势。
这表明在一定的温度和频率范围内，Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜具有良好的弛豫特性。
其次，我们利用铁电测试手段对薄膜的极化过程进行了研究。
结果表明，在电场作用下，薄膜内部的极化过程具有明显的滞后现象，即极化强度随时间逐渐增大并达到饱和状态。
这一过程与温度、频率和电场强度等因素密切相关，进一步证实了Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜具有良好的弛豫特性。
三、Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的储能特性调控为了进一步提高Bi5Ti3FeO15基铁电薄膜的储能性能，我们对其进行了多种调控手段的研究。
首先，通过改变薄膜的制备工艺参数，如沉积温度、气氛和退火时间等，可以有效地调控薄膜的微观结构和成分，从而影响其储能性能。
其次，通过引入掺杂元素或制备复合材料等方法，可以进一步提高薄膜的储能密度和效率。
《铁电性薄膜储能性能调控及其设计机理》范文
《铁电性薄膜储能性能调控及其设计机理》篇一一、引言随着科技的进步和人类对能源的需求不断增长，新型储能材料和器件的研发成为了当前的研究热点。
铁电性薄膜作为一种具有独特性能的储能材料，其储能性能的调控及其设计机理成为了众多科研工作者的研究重点。
本文将就铁电性薄膜的储能性能调控及其设计机理进行深入探讨。
二、铁电性薄膜的基本性质与储能原理铁电性薄膜是一种具有铁电性的材料，其电学性能在一定的温度范围内具有可逆的电偶极矩变化。
这种变化使得铁电性薄膜在电场作用下能够存储和释放电能，从而实现储能的目的。
铁电性薄膜的储能性能主要取决于其内部极化状态的变化，而这种变化受到温度、电场、应力等多种因素的影响。
三、铁电性薄膜储能性能的调控1. 成分调控：通过调整铁电性薄膜的成分，可以改变其晶格结构、相变温度等关键参数，从而影响其储能性能。
例如，通过掺杂不同元素，可以改变薄膜的介电常数、剩余极化强度等。
2. 结构调控：通过改变铁电性薄膜的晶粒尺寸、取向度等结构参数，可以优化其内部应力分布，从而提高其储能性能。
此外，多层膜结构的设计也能有效提高储能性能。
3. 外部场调控：通过施加外电场或热场，可以改变铁电性薄膜的极化状态，从而实现对储能性能的调控。
这种方法具有响应速度快、操作简便等优点。
四、铁电性薄膜储能性能的设计机理1. 畴壁运动机制：铁电性薄膜中的畴壁运动是其储能性能的重要来源之一。
通过优化畴壁运动，可以降低能量损耗，提高储能效率。
2. 极化反转机制：在电场作用下，铁电性薄膜的极化状态发生反转，从而实现能量的存储和释放。
优化极化反转机制，可以提高薄膜的剩余极化强度和抗疲劳性能。
3. 界面效应：界面效应对铁电性薄膜的储能性能具有重要影响。
通过优化薄膜与基底的界面结构，可以改善其储能性能。
此外，通过引入具有特定功能的界面层，还可以进一步提高储能性能。
五、应用前景与展望铁电性薄膜作为一种具有独特性能的储能材料，在能源存储、传感器、微电子等领域具有广阔的应用前景。
P(VDF-TrFE)的铁电性能影响因素及研究现状
第35卷第8期高分子材料科学与工程V o l .35,N o .8 2019年8月P O L YM E R MA T E R I A L SS C I E N C E A N DE N G I N E E R I N GA u g.2019P (V D F -T r F E )的铁电性能影响因素及研究现状吴 强,宋玉洁,李 俊(同济大学电子与信息工程学院,上海201804)摘要:有机铁电聚合物P (V D F -T r F E )是聚偏氟乙烯(P V D F )的衍生物,因具有良好的铁电性能㊁光学性能㊁化学稳定性㊁柔性等优点,在电子器件领域有广阔的应用前景㊂文中综述了P (V D F -T r F E )的铁电性的根源以及一些影响铁电性能的因素 T r F E 摩尔含量㊁薄膜厚度㊁退火温度㊁电极材料;综述了2种典型的薄膜制备方法和铁电薄膜在电子器件中的应用;最后根据其不足之处提出了有机铁电薄膜的研究方向和发展趋势㊂关键词:P (V D F -T r F E );铁电薄膜;极化反转中图分类号:T Q 325.4 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2019)08-0167-07d o i :10.16865/j.c n k i .1000-7555.2019.0215收稿日期:2018-06-29基金项目:国家自然科学基金青年基金资助项目(61504098)通讯联系人:李俊,主要从事有机铁电存储器的设计和研究, E -m a i l :j u n -l i @t o n g ji .e d u .c n 铁电材料的研究至今已有几十年的历史㊂1920年法国科学家发现酒石酸钾钠具有特异的介电性能,其极化可以通过改变外加电场来改变,首次提出了铁电性的概念[1],这一发现揭开了铁电材料的研究序幕㊂铁电材料具有两个显著的电学特性:(1)撤去外加电场后,极化仍然保持(即所谓剩余极化);(2)当外加电场反向并大于某临界电场时(即所谓矫顽电场),极化方向也随之反向㊂有机铁电材料则是拥有铁电性能的有机物,其化学性能稳定㊁无毒㊁在成膜的过程中无需高温热处理,易制得大面积的柔性薄膜,并且铁电薄膜工艺技术与半导体工艺技术完全兼容,可以与传统的电介质材料㊁半导体材料㊁器件相结合㊂经研究如今已有许多新型的铁电材料,如聚偏氟乙烯共聚物㊁聚偏二乙腈共聚物㊁聚脲㊁铁电液晶聚合物㊁有机高分子复合材料㊁无机压电陶瓷等[2]㊂其中聚偏氟乙烯(P V D F )是第1种被发现的具有显著压电和铁电性能的有机材料[3]㊂P V D F 及其衍生物由于优异的铁电㊁压电㊁热释电性能,以及良好的延展性能和稳定的化学性能而受到研究人员的广泛关注[4,5]㊂1 简介早在1969年,K a w a i 就发现P V D F 薄膜经单轴拉伸,在高温强电场下极化后具有较强的压电效应[6]㊂1971年,B e r g m a n 又发现了P V D F 的热释电效应[7]㊂直到20世纪70年代,P V D F 的铁电性才被K e pl e r 和F u r u k a w a 等证实[8,9]㊂P V D F 及其共聚体的显著特点是结构紧凑㊁化学性能好㊁大永久偶极矩㊁易于制造㊁退火温度低,可以与其他材料相结合等[10]㊂ F i g .1 P V D Fm o l e c u l a r s t r u c t u r e d i a gr a mw i t h (a )αp h a s e a n d (b )βph a s e P V D F 是聚乙烯(-C H 2-C H 2-)与聚四氟乙烯(-C F 2-C F 2-)单体之间的结晶聚合物,化学式为(-C H 2-C F 2-),结构图如F i g .1所示㊂其铁电性来自碳㊁氢㊁氟三者之间的电负性差异[11]㊂根据晶体结构的不同,P V D F 分为4种晶型:α㊁β㊁γ和δ相㊂其中,α相是最稳定㊁最容易获得的晶相,具有反-扭分子结构(T G T G )(T :T r a n s ;G :G a u c h e ;G :a n -t i-G a u c h e;T r a n s和G a u c h e是法语单词,其含义分别为 直 和 扭 ),在同一单胞内偶极子反向排布,偶极矩相互抵消,因此α相分子为非极性[12]㊂β相㊁γ相和δ相都存在极性,但是γ相和δ相的极性很弱,只有β相具有较强的铁电性[13,14]㊂β相呈全反式构型(T T T T),C原子构成Z字型骨架,F原子和H原子分别位于碳链的两侧,大多数电子被吸引到氟原子的一侧,氟原子与氢原子形成偶极矩,每个晶胞内偶极子排布的方向一致,具有很强的极性㊂F i g.1中给出了α和β相的分子结构㊂研究人员发现,将三氟乙烯(T r F E)引入到P V D F碳链中,新产生的聚合物(P(V D F-T r F E))具有很好的铁电性能[15,16]㊂原因是T r F E与V D F之间的旋转势垒阻碍了分子链形成螺旋结构,P(V D F-T r F E)在空间位阻的作用下形成了全反式构型(T T T T),如F i g.2所示㊂F i g.2P(V D F-T r F E)m o l e c u l a r s t r u c t u r e d i a g r a mF i g.3R e l a t i o n s h i p b e t w e e nT r F Ec o n t e n t a n d r e s i d u a l p o l a r i z a t i o ni n t e n s i t y P r2T r F E含量与剩余极化强度的关系F u r u k a w a等[17]发现P(V D F-T r F E)的铁电性能与V D F㊁T r F E之间的摩尔比有很大的关系,如F i g.3所示㊂当T r F E摩尔分数低于80%左右时,增加T r F E的含量可以提高P(V D F-T r F E)的剩余极化强度,且T r F E的摩尔分数在40%~60%时,剩余极化强度的变化最显著;当T r F E摩尔分数高于80%时,增加T r F E的含量反而会降低P(V D F-T r F E)的剩余极化强度㊂这是因为在T r F E含量低时,增加T r F E的摩尔比可以促使共聚物形成β相,所以剩余极化强度随T r F E含量增加而增加㊂然而T r F E含量过高则会使P(V D F-T r F E)的结晶程度降低;并且V D F单元偶极矩是7.0ˑ10-30c m,T r F E单元偶极矩是3.5ˑ10-30c m,T r F E的单元偶极矩是V D F单元的1/2,过多的T r F E导致聚合物的总偶极矩降低,分子链之间的相互作用减弱[17],从而使得聚合物的铁电性能变差㊂3P(V D F-T r F E)薄膜极化反转模型铁电薄膜中的极化反转不是瞬间行为,开关时间受到薄膜结晶度和晶壁等影响㊂通过X R D和T E M 分析,可以得知P(V D F-T r F E)薄膜是多晶材料,其内部存在大量的晶壁㊂李俊等[18,19]在测量P(V D F-T r F E)/P e n t a c e n e双层电容器结构的电流-电压(I-V)曲线时,发现正偏压扫描时存在2个电流峰,提出了铁电极化两步反转模型,认为在铁电薄膜中极化反转主要分为2步:第1步是晶壁处P(V D F-T r F E)分子首先反转;第2步是晶体内的P(V D F-T r F E)分子反转㊂随后,K a m等[20]和H u 等[21]都在晶体管结构的P(V D F-T r F E)器件中发现了2个电流峰的现象,进一步验证了铁电极化两步反转理论㊂4P(V D F-T r F E)薄膜制备方法4.1旋涂法旋涂法是发展最早㊁应用最广的一种制膜方法,而且由于其制备方法简单㊁成本低㊁制得薄膜厚度较薄等优点,被研究人员应用到P(V D F-T r F E)薄膜的制备中㊂制备过程如F i g.4所示,将基板固定在旋转F i g.4S c h e m a t i c o f s p i n-c o a t e da p p r o a c h台上,将待旋涂的溶液均匀地滴涂在基板表面,然后旋转台随着固定好的基板一起高速转动,基板表面的溶液受到离心力和表面张力的作用,形成一层均匀的薄膜,多余的溶液会被甩出基板㊂通过旋涂法制备出的薄膜,其中分子排列是无序的㊂旋涂溶液浓度㊁旋861高分子材料科学与工程2019年涂速度㊁空气温湿度会影响样品最终的膜厚㊁结晶度和粗糙度等,这些都会对薄膜性能产生影响㊂X i a 等[22]利用旋涂法,制备出了不同厚度的薄膜㊂200 n m厚的P(V D F-T r F E)的剩余极化强度约为75m C/ m2,当膜厚小于100n m时,铁电薄膜的剩余极化强度显著降低㊂N a k a j i m a等[23]用旋涂法制备了9.7 n m的超薄膜,剩余极化强度为34m C/m2㊂4.2L a n g m u i r-B l o d g e t t膜法L B(L a n g m u i r-B l o d g e t t)技术是美国科学家L a n g m u i r及其学生B l o d g e t t发明的一种单分子膜沉积技术,这是制备纳米薄膜的一种重要方法㊂它的特点在于可以制备任意分子层数的薄膜,且制备出的薄膜具有高度的有序性㊁一致性和均匀性㊂L B成膜法的原理是当两性化合物溶液滴到水面时,其亲水基一端会转向水面,而疏水端则会转向空气㊂这样在空气与水的界面之间形成了一层两性化合物的薄膜,薄膜厚度可以减小到1个分子厚度㊂P(V D F-T r F E)分子中的C-H基团和C-F基团分别属于亲水基和疏水基,在亚相上具有自分层性㊂通常用L B膜技术制备几个分子层甚至单层的P(V D F-T r F E)膜[24,25]㊂5P(V D F-T r F E)薄膜性能的影响因素5.1退火温度P(V D F-T r F E)共聚物是一种由晶体和非晶体组成的半晶体聚合物㊂因为铁电性源于晶体区域,所以共聚物的结晶度是影响剩余极化强度的重要因素㊂通常情况下,结晶程度越高,剩余极化强度越大㊂F u k u m a等[26]发现可以通过在顺电相的退火来使C 链重新排列位置,发生一个几乎完全的偏振反转,形成一个高度结晶的状态㊂退火过程中,居里温度(T c:达到此温度时,铁电体的自发极化强度降到0)和熔融温度(T m)都是关键温度点㊂当温度高于居里温度时,铁电材料失去铁电性,变为顺电相㊂在高于居里温度退火,可以得到更高的结晶度㊂但是高于熔融温度的条件下退火,则会导致β相减少,共聚物在缓慢冷却时重结晶形成α相或者γ相,导致剩余极化强度降低㊂T a k a h a s h i等[27]研究了退火温度对薄膜形貌结构的影响㊂他们通过观察在不同的退火温度(无退火㊁80ħ㊁120ħ㊁145ħ)时P(V D F-T r F E)(75/25)薄膜的A F M图,发现随着退火温度的提高,晶粒逐渐增大,这说明在一定范围内,薄膜的结晶度随着退火温度的升高而升高㊂F i g.5展示了退火温度对P(V D F-T r F E)薄膜的剩余极化强度的影响㊂当退火温度(T a)在100~135ħ之间时,剩余极化强度随温度升高而增加,当温度高于135ħ时,剩余极化强度随温度升高而降低㊂原因是当退火温度过高时(高于熔点),薄膜融化,这使得β相比例减少[25]㊂除了退火时的温度外,制备时的旋涂速度也会对薄膜的结晶度产生影响㊂F i g.5D e p e n d e n c e o f r e m a n e n t p o l a r i z a t i o n(P r)o na n n e a l i n gt e m p e r a t u r e(T a)f o rP(V D F/T r F E)(75/25)t h i n f i l m s 5.2膜厚P(V D F-T r F E)用于场效应晶体管时,研究人员总是希望铁电聚合物薄膜的厚度尽可能薄一些,以便于操作电压可以很低㊂另一方面,他们又需要晶体管器件的泄漏电流很小,同时器件的铁电性能又好㊂许多实验结果表明,当薄膜尺寸接近聚合物固有尺寸时,聚合物的性能会发生变化[28]㊂早期的研究发现,当P(V D F-T r F E)的膜厚小于100n m时,其铁电性能会发生变化㊂X i a等[22]研究了膜厚与剩余极化强度的关系,使用75/25摩尔比的P(V D F-T r F E),D M F作为溶剂,通过选择不同浓度的溶液来控制膜厚㊂F i g.6是在120ħ退火2h的实验数据㊂发现当膜厚在100n m 以上,膜厚对剩余极化强度的影响较小,而当膜厚小于100n m,剩余极化强度随膜厚的降低急剧下降㊂F i g.6说明了P(V D F-T r F E)薄膜的膜厚之所以会影响到铁电性,是因为随着膜厚降低,薄膜的结晶度也降低了,而且当膜厚小于100n m时,下降的幅度最大,而结晶度的降低导致聚合物薄膜的铁电性能变差㊂F u r u k a w a等[27]通过构建一个串联模型来研究膜厚对薄膜铁电性的影响㊂他们认为聚合物薄膜与活性金属电极接触的部分发生反应时,存在一个界面层和本征层,界面层在实际中不显示铁电性能,极化反转由本征层完成㊂铁电薄膜通常受到界面层的影961第8期吴强等:P(V D F-T r F E)的铁电性能影响因素及研究现状响,开关时间随着膜厚的降低而延长,膜厚在100n m 以下时,这个现象尤为明显㊂界面层的阻碍作用可以通过界面层和本征层的数学模型来描述:E B =E -d s ㊃P B d ㊃εB ,其中E B 为本征层电场强度;E 为总电场强度;d s 为界面层厚度;d 为薄膜厚度;P B 为本征层的剩余极化强度;εB 为本征层的相对介电常数㊂当总膜厚d 减小时,界面层所占的比重增大,E B 受到膜厚的比例系数影响也减小了,这使得薄膜总的铁电性能减小㊂F i g .6 F i l mt h i c k n e s s v s .c r y s t a l l i n i t y a n d r e s i d u a l po l a r i z a t i o n i n -t e n s i t y f o r t h e p o l ym e r f i l m s a n n e a l e da t 120ħ5.3 电极材料铁电电容器结构是研究P (V D F -T r F E )性能的最常用结构㊂对于有机电子系统,当金属沉积在有机材料上时,需要考虑界面上的物理和化学过程㊂早期的研究实验中,人们大多采用A l 电极制作M F M (M e t -a l -f e r r o e l e c t r i c -m e t a l )结构的器件[29~32],这种活性金属可以与P (V D F -T r F E )发生反应,化学活性较高的氟原子会降解A l 电极,在界面处形成了较厚的界面层,使器件的电学性能下降㊂对于T i 和N i 电极,也会与P (V D F -T r F E )中的氟原子发生反应,并在界面处形成T i F x 和N i F x [33]㊂因此,早期研究报告中的铁电聚合物薄膜的膜厚相对较厚,从而导致器件的驱动电压变大,开关时间变长㊂N a k a ji m a 等[23]研究了使用不同金属A l 和A u 作为电极的M F M 器件的性能,发现用A l 电极的器件,它的开关时间随着P (V D F -T r F E )薄膜厚度的减小而延长,而A u 电极的器件则没有这一现象㊂这说明P (V D F -T r F E )与A u 电极之间没有发生反应,因此开关时间不会随着膜厚的减小而延长㊂N a b e r 等[34]研究发现添加聚合物可以提高器件的性能和稳定性㊂他们在电极与P (V D F -T r F E )之间加入导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(P E D T )来提高剩余极化强度和缩短开关时间㊂X u 等[35]实验证明了用聚吡咯也可以起到同样的作用,并且还发现可以提高薄膜结晶度㊂6 应用6.1 有机铁电存储器早在20世纪末期就有科学家提出用铁电材料来制作存储器,相比其他存储器,铁电存储器(F R AM s)具有非易失性㊁低功耗㊁擦写速度快和可反复擦写等优点㊂目前,电子元件发展陷入瓶颈,摩尔定律渐渐不再适用㊂铁电薄膜存储器的出现有望突破现有的存储规模,它可以将存储密度提高到1000000T B/c m 3,是目前存储密度的100亿倍[36]㊂T a b .1 C o m p a r i s o no f d i f f e r e n tm e m o r y de v i c e s T y p e R e a dt i m e /n s W r i t et i m e /n s P o w e r p e r r e a d 32b i t /n J P o w e r p e rw r i t e32b i t /p J C yc l e t i m e sE E P R OM 50100001000150>106F l a s h501002000150>104F e R AM s 10010011000>1015 T a b .1中显示了与其他非易失性存储器相比,铁电存储器具有更快的写入和读取时间,更低的功耗和更好的稳定性㊂根据器件结构及工作原理的不同,有机铁电存储单元主要分为2类:1T 1C (1个晶体管1个铁电电容器)和1T (1个铁电晶体管),如F i g .7a 所示㊂其原理都是利用P (V D F -T r F E )薄膜在外加电场下发生极化偏转这一现象㊂在1T 1C 中,铁电电容器中的介质层的极化方向会根据电流方向发生偏转,每次偏转都会产生1个电流峰,二进制逻辑状态 1 和 0 便是由剩余极化方向来表示㊂基于铁电电容器(M F M )器件的读操作具有破坏性,需要在读操作后通过重写周期进行恢复㊂铁电晶体管则是将铁电薄膜作为介电层,根据极化方向的不同来控制晶体管的开启或关闭㊂如71高分子材料科学与工程2019年F i g.7b 所示,P (V D F -T r F E )层发生极化后,在半导体层感应生成导电沟道,晶体管导通,并且在门极电压撤去后,晶体管依旧导通㊂根据晶体管的导通或关断状态来表示二进制逻辑 1 或 0 ㊂这种铁电晶体管的读写操作是非破坏性的,其单独的1T 结构也比1T 1C 的集成度更高㊂2005年,N a b e r 等[37]在N a -t u r e 杂志报道了利用P (V D F -T r F E )(65ʒ35)作为栅介质,聚[2-甲氧基-5(2 -乙基己氧基)]对苯乙炔(M E H -P P V )作为半导体层制备高性能的铁电存储器,开关电流比超过104,保持时间超过7d ,写入速度0.3m s ,擦除速度0.5m s ,稳定性大于1000次㊂A s a d i 等[38]利用P (V D F -T r F E )和聚3-己基噻吩(P 3H T )相分离膜来实现非易失性存储器,电极的电荷注入半导体层的情况由铁电薄膜的极化方向控制,提高了器件的稳定性和缩短了开关切换时间㊂近年来,L B 成膜法由于其可以制备单层膜的优点被应用到铁电晶体管中㊂G e r b e r 等[39]用L B 成膜技术制备了超薄膜的铁电存储器,P (V D F -T r F E )膜厚度为35n m ,S i O 2层厚度为10n m ,操作电压为4V ㊂目前,铁电晶体管主要存在的问题是开启电压过大㊁器件功耗较高㊁泄露电流大等㊂一般75/25的P (V D F -T r F E )的矫顽电场约为50V /μm ㊂制得的器件膜厚小会导致泄露电流大㊁损耗能量多的缺点;而增加膜厚又会使得操作电压过高㊂F i g .7 1T 1C (a )s t r u c t u r ef o rf e r r o e l e c t r i cc a pa c i t o r sa n d1T (b )s t r uc t u r e f o r f e r r o e l e c t r i c t r a n s i s t o r s6.2 纳米发电机从环境中收集能源一直是人类最关心的课题之一㊂目前,人们已经研究出了大规模可再生能源发电装置,如风力发电㊁潮汐能发电㊁水力发电等;以及小规模的能源收集,如从汽车的制动装置,铁路的震动中获取能量㊂其中,纳米发电机在小规模的能源收集中有着较好的前景㊂2006年,W a n g 等[40]在S c i e n c e 上首次发表了利用Z n O 纳米线制备出纳米发电机,其原理是利用压电材料的压电性能将形变势能转化为电能㊂P (V D F -T r F E )作为一种铁电材料也同样具有压电性,并且它的柔性和压电系数都较好㊂M a n -d a l 等[41]在基板上覆盖一层P (V D F -T r F E )薄膜,施加压力时产生了400m V 的电压㊂复旦大学的皮朝阳等[42]用旋涂法得到的P (V D F -T r F E )/半导体复合薄膜作为有源层实现机电转换,峰值开路输出电压达到7V ,短路输出电流密度达到0.53μA /c m 2㊂6.3 光伏器件光伏器件在环境㊁能源方面有着广阔的应用前景,如何提高器件的能量转化效率是主要研究方向之一㊂研究人员发现铁电聚合物可以用来提高太阳能电池效率[43],P (V D F -T r F E )作为一种典型的有机铁电材料,拥有良好的化学稳定性和耐光性,而且溶液法制备薄膜的技术也与太阳能电池的制备工艺兼容㊂2011年,袁永波等[44]在N a t u r e 上发表了关于利用P (V D F -T r F E )提高太阳能电池效率的论文,在P C B M 半导体与电极之间加入L B 成膜法制得的铁电薄膜,使效率提高了4%~5%,原因是铁电薄膜的极化效应产生的电场可以抑制有源层中电子与空穴的复合㊂实验还发现随着P (V D F -T r F E )膜厚的增加,器件的效率会降低,这就导致对薄膜的制作工艺有一定要求,可以通过纳米压印技术,构建图案化的铁电层,增大铁电膜与半导体层的接触面积,从而提高器件效率㊂7 总结有机铁电材料P (V D F -T r F E )因剩余极化强度高及可低成本制备大面积柔性薄膜的优点,在工业㊁医用㊁航天㊁军事领域有着美好的应用前景,但是在实际应用中还存在许多问题,比如耐疲劳性能差㊁高温稳定性差㊁高频时矫顽电场变大等㊂如何改善这些缺点,研究出可靠高性能的电子器件并投入实际生产使用中,是研究人员接下来需要解决的问题㊂参考文献:[1] V a l a s e kJ .P i e z o -e l e c t r i ca n da l l i e d p h e n o m e n a i nR o c h e l l es a l t [J ].P h ys .R e v 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i v e r s i t y ,S h a n g h a i 201804,C h i n a )A B S T R A C T :O r g a n i c f e r r o e l e c t r i c p o l y m e rP (V D F -T r F E )i sad e r i v a t i v eo f p o l y (v i n yl i d e n ef l u o r i d e ),h a s w i d e l y a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s i n t h e f i e l d o f e l e c t r o n i c d e v i c e s d u e t o t h e g o o d f e r r o e l e c t r i c p r o pe r t i e s ,c h e m i c a l s t a b i l i t y a n df l e x i b i l i t y .T h i s a r t i c l e r e v i e w e d t h e o r ig i no f f e r r o e l e c t r i c i t y of P (V D F -T r F E )a n d s o m e o f t h e f a c t o r s a f f e c t i ng f e r r o e l e c t r i c p r o p e r t i e s :T r F E m o l a r f r a c t i o n ,f i l mthi c k n e s s ,a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e a n d e -l e c t r o d em a t e r i a l .B e s i d e s ,t w ot y p i c a l t h i nf i l m p r e p a r a t i o n m e t h o d sa n da p pl i c a t i o n so f f e r r o e l e c t r i c t h i n f i l m s i ne l e c t r o n i c d e v i c e sw e r e r e v i e w e d .F i n a l l y ,t h e r e s e a r c hd i r e c t i o n s a n dd e v e l o p m e n t t r e n d s o f o r g a n i c f e r r o e l e c t r i c t h i n f i l m sw e r e p r o p o s e d a c c o r d i n g l y.K e yw o r d s :P (V D F -T r F E );f e r r o e l e c t r i c t h i n f i l m s ;p o l a r i z a t i o n r e v e r s a l 371 第8期吴 强等:P (V D F -T r F E )的铁电性能影响因素及研究现状。
铁电薄膜材料及其应用
铁电薄膜材料及其应用一、引言铁电薄膜材料是一种重要的功能材料，具有优异的电学、铁电和机械性能，广泛应用于信息存储、传感器、微电子机械系统等领域。
本文将介绍铁电薄膜材料的特性、制备方法及其应用领域。
二、铁电薄膜材料的特性1.电学性能铁电薄膜材料具有高度的自发极化和电畴结构，可以在外加电场的作用下发生极化反转，产生较大的极化强度和位移，表现出优异的铁电性能。
此外，铁电薄膜材料还具有较高的介电常数和较小的漏电流等特点。
2.铁电稳定性铁电薄膜材料的铁电稳定性是其在实际应用中的重要性能之一。
铁电稳定性取决于材料的结构、成分和制备工艺等因素。
具有高稳定性的铁电薄膜材料可以在长时间内保持其铁电性能，不易发生退化或失效。
3.机械性能铁电薄膜材料通常具有较好的机械性能，如高硬度、高韧性、良好的耐磨性和耐腐蚀性等。
这些机械性能使得铁电薄膜材料在传感器、微电子机械系统等领域中具有广泛的应用前景。
三、制备方法1.溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种常用的制备铁电薄膜材料的方法。
该方法是将前驱体溶液涂覆在基片上，经过干燥、热处理等过程，制备出铁电薄膜材料。
溶胶-凝胶法制备的铁电薄膜材料具有成分均匀、纯度高、制备温度低等优点，但该方法也存在制备周期长、生产效率低等缺点。
2.脉冲激光沉积法脉冲激光沉积法是一种利用激光能量将靶材气化，然后在基片上沉积成膜的方法。
该方法制备的铁电薄膜材料具有结构致密、成分均匀、表面平整等特点，适用于大面积制备高质量的铁电薄膜材料。
但该方法也存在设备昂贵、制备成本高等缺点。
3.金属有机化学气相沉积法金属有机化学气相沉积法是一种利用金属有机化合物和反应气体在基片上沉积成膜的方法。
该方法制备的铁电薄膜材料具有组分灵活、制备温度低、生产效率高等优点，但该方法也存在设备复杂、气体纯度要求高等缺点。
四、应用领域1.铁电存储器由于铁电薄膜材料具有高极化强度和稳定的铁电性等特点，因此被广泛应用于制备铁电存储器。
利用铁电薄膜材料的极化状态变化可以实现信息的写入和擦除，具有非易失性、高速、低功耗等优点。
铁电材料的特性及应用综述
铁电材料的特性及应用综述孙敬芝（河北联合大学材料科学与工程学院河北唐山 063009）摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及性光学等特性以及原理，铁电材料是具有驱动和传感2 种功能的机敏材料, 可以块材、膜材(薄膜和厚膜) 和复合材料等多种形式应用, 在微电子机械和智能材料与结构系统中具有广阔的潜在应用市场。
关键词：铁电材料；铁电性；应用前景C haracteristics and Application of FerroelectricmaterialSun Jingzhi( Materials Science and Engineering college, Hebei United University Tangshan 063009,China )Abstract:Ferroelectric material has good iron electrical, piezoelectric , pyroelectric and nonlinear optical properties, such as a driver and sensing two function piezoelectric materials, can block material, membrane materials (film and thick film) and the compound Material of a variety of forms such as application, in microelectromechanical and intelligent materials and structures in the system with vast potential application market.Keywords: ferroelect ric materials Iron electrical development trend0前言晶体按几何外形的有限对称图象, 可以分为32 种点群, 其中有10 种点群: 1, 2, m , mm 2, 4,4mm , 3, 3m , 6, 6mm , 它们都有自发极化。
有机铁电P(VDF-TrFE)薄膜极化疲劳特性
铁电薄膜及铁电存储器的研究进展
铁电薄膜及铁电存储器的研究进展
周益春;唐明华
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2009(023)009
【摘要】铁电薄膜是具有铁电性且厚度尺寸为数纳米到数微米的薄膜材料,因其在非挥发性铁电随机存储器方面的潜在应用而受到广泛关注.综述了新型无铅、无疲劳Bi4Ti3O12(BIT)基铁电薄膜材料的制备和改性及性能表征方法,阐述了铁电薄膜的3种失效机制及铁电薄膜存储器的研究现状,最后提出了铁电薄膜及存储器今后可能的研究方向.
【总页数】19页(P1-19)
【作者】周益春;唐明华
【作者单位】湘潭大学低维材料及其应用技术教育部重点实验室,湘潭,411105;湘潭大学低维材料及其应用技术教育部重点实验室,湘潭,411105
【正文语种】中文
【中图分类】TN384
【相关文献】
1.大面积铁电薄膜的MOCVD制备及铁电存储器的研制 [J], 王弘
2.铁电薄膜及铁电存储器研究 [J], 武德起;刘保亭;闫正;闫常瑜;赵庆勋
3.Bi4Ti3O12铁电薄膜及其铁电存储器 [J], 乔燕
4.铁电存存储器的特点和铁电薄膜研究的新动向 [J], 张惠丰;罗维根
5.铁电薄膜和铁电场效应存储器研究 [J], 周文利;于军;曹广军
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铁电疲劳不均匀性的研究进展
中图分类号 ： ＴＮ３ ４ ８
Ａ ｖ ｅ ：Ｔｈｅ Ｈ ｅ ｅ ｏ ｅ ｅ ｔ ｆ Ｆｅ ｒ ｅ ｅ ｔ ｉ ｔｇ ｅ Ｒｅ ｉ ｗ ｔ ｒ ｇ ｎ ｉｙ ｏ ｒ ｏ ｌ ｃ ｒ ｃ Ｆａ ｉ ｕ Ｌ ｉ ｉ ＩＪｗｅ ，ＺＨＡＮＧ ｎ ，ＣＨＥＮ ｉｈ ｎ Ｙｏ ｇ Ｊｃ ｕ
铁 电压 电材料起 着 关 键作 用 ， 而分 析 、 制 或 延缓 其 服 役 因 控
程 的“ 局部 印记 ” Ｌ ｃｌｍｐｉｔ理 论 模 型 ［提 供 了实 验 证 （ ｏａ ｉ ｒ ） ｎ ８ ］
ｎ ｉｙｐ ｅ ｏ ｎ ｎ ｆｒｏ ｌｃｒｅｆｍｓ ｅ ａ ｉｓａ ｄｓｎ ｌ ｒ ｓａｓｓｐ ｒｔｌ ｒ ｅｃｉｅ ．Ｔｈ ｎ ｔｅｆｔ ｕ ｄ ｃ ｄ ｅｔ ｈ ｎ ｍｅ ａｉ ｅｒ ｅｅｔｉ ｉ ，ｃｒｍ ｃ ｎ ｉｇｅｃｙ ｔｌ ｅ ａａｅｙａｅｄ ｓ ｒｂ ｄ ｌ ｅ ｈ ａｉ ｅｉ ｕ ｅ ｇ ｎ
ｄ ｍａ ｅｍｏ ｔ ｃ ｕ ｒｎ ｎ ｔ ｅｎ ａ ｌ ｃ ｒ ｄ ｏ ｕ ｓ ｐ ｉ ｔ ｄ ｏ ｔ Ｆ ｎ ｌ ｔ ｅ ｖ ｒ ｕ ｎ ｔｃ ｄ ｌ ｆｐ ｌ ｒ ａ ａ ｇ ｓ ｌ ｏ ｃ ｒ ｉ ｇ ｉ ｈ ｅ ｒ ｅｅ ｔｏ ｅ ｖ ｌ ｍｅ ｉ ｏｎ ｅ ｕ ． ｉ ａ ｌ ｈ ａ ｉ ｓｋｉｅ ｉｓ ｍｏ ｅ ｓｏ ｏ ａ ｉ — ｙ ｙ。 ｏ ｚ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ Ｉ ｈ ｓ ｒ ｖ ｅ ，ｔ ｅｈ ｔ ｒ ｇ ｎ ｉ ｆ ｅ ｒ ｅ ｅ ｔ ｉ ａ ｉ ｕ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｆ ｓ ｌ ．Ｔｈ ｂ ｅ ｖ ｄ ｈ ｔ ｒ ｇ — ｎ ｔ ｉ ｅ ｉｗ ｈ ｅ ｅ ｏ ｅ ｅｔ ｏ ｒ ｏ ｌ ｃ ｒ ｆ ｔ ｅ ｉ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ｉ ｔｙ ｙ ｆ ｃ ｇ ｓ ｒ ｅｏ ｓｒ ｅ ｅｅｏ ｅ
铁电性实验报告-南京大学
铁电性实验报告-南京大学铁电薄膜铁电性能表征131120161 李晓曦一、引言铁电体是这样一类晶体:在一定温度范围内存在自发极化,自发极化具有两个或多个可能的取向,其取向可能随电场而转向.铁电体并不含“铁”,只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。
在某一温度以上，它为顺电相，无铁电性，其介电常数服从居里-外斯（Curit-Weiss）定律。
铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Tc。
铁电体即使在没有外界电场作用下，内部也会出现极化，这种极化称为自发极化。
自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。
铁电体特点是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度和电场 E 之间形成电滞回线。
自发极化可用矢量来描述，自发极化出现在晶体中造成一个特殊的方向。
晶体中每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生位移，使电荷正负中心不重合，形成电偶极矩。
整个晶体在该方向上呈现极性，一端为正，一端为负。
在其正负端分别有一层正和负的束缚电荷。
束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高。
铁电现象第一次发现是在1920年，由瓦拉赛尔发现外场可以使罗西盐的极化方向反转，但是铁电现象直到40年代初才得以被广泛研究。
如今铁电现象因为其独特性质得到了广泛的应用，而本实验就是为了初步探究本现象的物理性质。
本实验测量了铁电材料的电滞回线，并且改变电压测量了不同电压下的图像和矫顽力等数值。
作者又进一步对此现象进行了初步探究，研究了其相关机理。
二、实验目的1、了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。
2、了解非挥发铁电随机读取存储器的工作原理及性能表征。
三、实验原理1、铁电体的特点（1）电滞回线铁电体的极化随外电场的变化而变化，但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。
在电场作用下新畴成核长，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化线性地依赖于电场见图1,此时可逆的畴壁移动成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快。
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随着疲劳程度的深入，越来越多的铁电畴被陷阱电荷所钳制 而无法翻转，造成薄膜的剩余极化值进一步的衰减，直至丧 失铁电性。
铁电薄膜在反复开关后电滞回线变窄，剩余极化明显下降， 这就是典型的铁电疲劳特性。
前期研究表明：在P(VDF-TRFE)的疲劳过程中，只有在极化翻转的 瞬态，空间电荷才能被俘获在铁电畴的边界，因而表现出抑 制铁电畴翻转的作用。
电容结构样品示意图
(a)极化翻转电流 (b) P-V回线
AFM形貌表征表面形貌并 没有很明显的区别，都能看到大颗粒的团簇。
P(VDF-TrFE)薄膜退火前后表面形貌图（40μm×40μm） P(VDF-TrFE)薄膜退火前后表面形貌图（5μm×5μm）
扫描前后薄膜形貌发生了明显的变化，退火前 的大团簇内较平滑，而退火后的大团簇则是由 一颗一颗的晶粒组成。说明退火的确能增加铁 电薄膜的结晶度。
紫外辐照对疲劳恢复的影响
极化疲劳恢复特性
按以下三种条件对疲劳后的样品进行实验：
（1）只有紫外辐照作用于样品表面，不施加偏压； （2）只对样品施加两倍于矫顽电压的偏压，无紫外辐照； （3）紫外辐照和外加偏压同时作用于样品。
（a） （b） （c） （d）
初始Pr值
0.0338 0.0302 0.0400 0.0384
有机铁电薄膜电疲劳恢复特性研究
报告人： XXX 指导教师： XXX 教授 报告日期： 2019.6.1
主要内容
研究背景 铁电性概述 有机铁电薄膜的极化疲劳失效问题 有机铁电薄膜的极化疲劳恢复特性
实验样品制备 AFM形貌表征 紫外辐照对疲劳速率的影响 紫外辐照对疲劳恢复的影响 小结与讨论
极化疲劳恢复特性
紫外辐照对疲劳恢复的影响—偏压大小
Ⅰ |Vbias |<Vc， Vbias从0.0到-17.0V变化，与紫外辐照同时作用； Ⅱ | Vbias |≈Vc ， Vbias =-25.5V，与紫外辐照同时作用； Ⅲ | Vbias |>Vc ， Vbias从-34.0V到-51V变化，与紫外辐照同时作用。
紫外辐照对疲劳速率的影响
在三组不同实验条件下对铁电薄膜进行疲劳测试： （1）不经任何处理直接进行疲劳测试； （2）在紫外辐照下同时对样品进行疲劳测试； （3）紫外光照1h后再对其进行疲劳测试。
极化疲劳恢复特性
铁电薄膜极化疲劳的测量波形
不同实验条件下铁电薄膜的疲劳衰减特性曲线
参照电荷注入模型，在紫外辐照下进行疲劳时，由于紫外辐照的 光子能量大于P(VDF-TrFE)薄膜的带隙能量，因此能激发产生空穴 -电子对，导致薄膜内的载流子浓度增加，这些载流子增加了空间 电荷与电偶极子相互作用的机会，从而导致更多的铁电畴被钳制 而不能翻转，因此就产生了加速疲劳的过程。
极化疲劳失效问题
一种典型的疲劳机理是电荷注入模型
极化疲劳机理示意图：(a)疲劳前 (b)疲劳中 (c)疲劳深入
极化前，铁电畴成无序排列，为活性畴。
外加极化电压后，在反复的极化翻转过程中，陷阱电荷注入 并钳制在铁电畴的边界，阻碍铁电畴的翻转，成为非活性畴。
典型的P-V 电滞回线随极化反转次数的衰减过程
实验样品制备
极化疲劳恢复特性
（1）配置3%和5%质量分数的P(VDF-TrFE)溶液； （2）清洗1cm×1cm的玻璃基底，使用掩模板在玻璃基上真空蒸镀Al电极； （3）在玻璃基底上旋涂配置好的溶液，然后在140度温度下退火8小时； （4）使用对应的掩模板镀Au电极，样品制备完成。
铁电薄膜的电学测量装置使用Sawyer-Tower电路
疲劳后的 Pr值
0.0148 0.0136 0.0143 0.0153
疲劳后/始 恢复后 恢复后/
值
的Pr值 初始值
43.8% 0.0163 48.2%
45.0% 0.0137 45.4%
35.8% 0.0268 67.0%
39.8% 0.0283 73.7%
铁电畴未翻转时，紫外辐照（hv=3.4eV）激发的 空穴-电子对与钳制在铁电畴壁的极性相反的陷 阱电荷复合后湮灭；
陷阱电荷和铁电畴壁相互作用产生的势垒高度 在0.87-1.53eV之间，紫外光同样能有效的激活 陷阱电荷使其逃离陷阱势；
在紫外辐照的过程中，被激活的陷阱电荷逃逸 出势阱后需要一个驱动力才能逃逸出整个铁电 薄膜，否则，如果它们仍然处于薄膜内，那么 它们很可能会重新被附近的势阱俘获。而外加 电压正好就提供了这种驱动力。
极化疲劳严重限制了有机铁电存储器的商业化应用，因 此对于如何抑制或恢复疲劳从而提升器件性能的研究就 很有意义！
研究背景
FeFET
铁电性
铁电性是1921年J.瓦拉塞克首先发现的。 主要特征： (1)在无外加电场下，偶极子具有自发极化； (2)在外加电场的作用下，偶极子可以发生翻转。 如果同时满足这样两种属性，我们就认为该材料具有铁电性。
铁电畴由一种取向状态转向另一种取向状态称为铁电极化翻转。
铁电性概述
在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向相 同，这个小区域就称为铁电畴。 无外电场时，宏观极化强度等于零； 外加电场时，宏观极化强度记为P。
外加交变电场
铁电畴在外加电场作用下的翻转过程(无机铁电材料)
铁电畴的电滞回线示意图
极化疲劳
铁电材料剩余极化随着铁电反转次数的增加而逐渐 降低的现象。
消弱陷阱电荷对铁电畴的钳制作用
极化疲劳恢复特性
紫外辐照对疲劳恢复的影响—辐照时间
将样品置于紫外辐照的环境下，辐照同时对样品施加-51V的直流偏压， 紫外辐照和外加偏压作用于样品的总时长为三小时。
在紫外辐照的前期，恢复程度最快，在1500s左右恢复到最大值。 由于紫外光强随着透射入薄膜的深度而减弱，距离被辐照表面越远的铁电畴则越难被激活，延长紫外辐照的时间并不 能让铁电性恢复到初始状态。
低温制备IGZO薄膜
铁电聚合物
铁电聚合物：β相PVDF和共聚物P(VDF-TrFE) 优点：
自发极化强度高 极化稳定性强 极化翻转时间短 柔性、兼容性以及易制备性 应用： 透明或柔性铁电存储器 例：铁电场效应晶体管（FeFET） 铁电随机存储器（FeRAM） 存在的主要问题：极化疲劳现象—器件寿命