纳米结构铁电聚合物薄膜器件的制备与物理特性研究

【摘要】：铁电薄膜由于其优异的铁电性、介电性、热释电性、压电性和电光等性质已经得到了广泛的关注。聚二氟乙烯PVDF及其共聚物P(VDF-TrFE)是一种性能稳定、易于生长且易弯曲的聚合物铁电材料,其在未来的应用中将扮演重要角色。最近发展起来的朗缪尔-布拉吉特(Langmuir-Blodgett,LB)方法是一种可以从分子水平上控制生长单分子层薄膜的方法,而且生长出来的薄膜具有结晶性高、性能稳定等优势。本文利用LB方法制备了纳米结构铁电聚合物薄膜器件,并研究了铁电聚合物薄膜的自极化起源、漏电流机制、铁电隧道结的阻变机制、铁电多层膜的耦合作用以及基于聚合物的磁电耦合机理。本论文主要研究结果如下:1.发现了铁电聚合物超薄膜的自极化效应:制备了单层铁电聚合物P(VDF-TrFE)超薄膜器件,并对器件作为热释电红外探测器的光电响应进行了表征,发现采用LB方法制备的P(VDF-TrFE)薄膜具有自极化self-polarization效应。采用LB方法制备的铁电薄膜无需外加电场的极化就已经形成单畴结构,而且极化保持特性良好。提出了产生自极化效应的原因是铁电聚合物中的F原子与电极Al形成了AlF3化合物,使得极化具有择优取向。同时制备了70 nm厚的P(VDF-TrFE)薄膜器件研究了铁电薄膜的漏电机制,通过漏电流与温度、电场的关系,采用不同的漏电机制进行拟合,拟合结果显示,采用LB方法制备的铁电薄膜在低温时肖特基发射导电机制占主导,随着温度升高,Frenkel-Poole发射机制在薄膜漏电中占主导,而随着温度再升高,其电流几乎保持不变,此时空间电荷限制电流占主导。2.发现了聚合物多层膜的电学性能增强:采用LB方法制备了铁电聚合物薄膜P(VDF-TrFE)、弛豫铁电体P(VDF-TrFE-CFE)以及由两种聚合物材料组成的多层膜结构,并对其结晶性、压电、介电、铁电等性能进行了研究。实验中由铁电聚合物与弛豫体组成的不同厚度的多层膜在电学、光学性质上具有非常大的差异,随着交替膜中周期厚度的减小,多层膜结构的极化、压电、介电常数均得到增强。最后我们对多层膜结构采用Landau理论进行拟合,发现周期厚度薄到几个纳米的多层膜的极化随温度的变化关系能很好的符合Landau理论,而Landau理论是描述铁电体相变的一个唯像理论,这也就说明当周期厚度小到相邻铁电层间产生耦合作用时多层膜具有与铁电体相似的相变现象,甚至可以认为是一种单相铁电材料,而不仅仅是两种材料的简单复合。通过合理的设计铁电多层膜的周期厚度,可以人工调制器件的极化、压电以及介电性能从而满足具体的应用。3.发现了隧道结的高电阻温度系数:制备了基于铁电聚合物的铁电隧道结器件,在LNO电极上采用LB方法制备了两层LB铁电聚合物薄膜,上电极为Al电极,由于LNO的Thomas-Fermi屏蔽长度远不如Al的Thomas-Fermi屏蔽长度,导致P(VDF-TrFE)的极化取向不同时,铁电聚合物的势垒高度差异较大,从而引起电子隧穿的几率不一样而形成阻变效应。实验中,我们测试了器件在不同温度下的阻变行为,室温下ON态与OFF态的电阻的比值可达两个数量级。并且我们测试了器件的电阻随温度变化的关系,实验结果给出,OFF态的电阻温度系数TCR可达-3.8%,ON态的电阻温度系数TCR值为-0.9%。器件的电子传输过程可以很好的利用变程跃迁导电机制进行拟合,属于非弹性隧穿导电机制的一种。4.深入探索了铁电聚合物/铁磁异质结磁电耦合机理:制备了P(VDF-Tr FE)与铁磁材料Co的磁电耦合器件,采用磁光克尔系统表征了铁电材料对铁磁材料的调控。实验中证实了采用离子束溅射方法制备的约3nm的Co薄膜的磁畴位于面内,而且在面内具有各向异性。当我们对铁电薄膜施加不同的偏压测试磁光克尔信号强度时,发现对应于铁电矫顽场的位置其磁光克尔信号也出现峰值,表现出蝶形曲线。该曲线与铁电材料的压电曲线一致,这表明铁电聚合物对于3 nm的Co薄膜的调控主要是应力调控。