有机铁电P(VDF-TrFE)薄膜的制备及铁电性能研究

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铁电存储器具有高密度、高读写速度、低功耗、低成本等优点,被学术界和产业界公认为最有潜力的下一代存储器之一。随着现代科技的发展,对非挥发存储器(如铁电场效应晶体管(Ferroelectric Electric Field Effect Transistor, FeFET)存储器)的需求与日俱增,从而导致了对新的存储器材料的研究与探索的热潮。目前用于制备铁电存储器的铁电薄膜材料体系仍以锆钛酸铅(PZT)系为主。PZT薄膜具有一些良好的铁电性能,如较大的剩余极化值以及较低的热处理温度等。但是,PZT系列铁电薄膜也具有一些不利因素,尤其是抗疲劳性能差,经过多次翻转后铁电性能显著下降。同时,PZT系列铁电薄膜含有铅,容易污染环境,给人类的生存空间带来危害。所以,开发一类新的铁电材料来取代PZT变得尤为必要。以偏氟乙烯和三氟乙烯的共聚物(P(VDF-TrFE))为代表的有机铁电薄膜材料结晶温度较低、小的漏电流、抗疲劳特性好、自发极化较大,所以可望成为新的适用于FeFET器件的铁电薄膜材料。本文选择用旋涂法(spin-coating)在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)基片上制备了有机铁电P(VDF-TrFE)薄膜,并分别对其铁电、漏电流、介电性能进行了一些研究。在本学位论文中,在第1章总结了铁电材料以及铁电薄膜的研究进展以及存在的问题。同时引出了有机铁电材料,介绍了有机铁电材料的结构、性能及应用。在此基础上,给出了本文的选材及研究目的与内容。在第2章介绍了本文实验所用的材料以及方法。在第3章和第4章中,分别研究了薄膜厚度,邻苯二甲酸二乙酯(DEP)掺杂对P(VDF-TrFE)薄膜的微观结构、铁电性能及电学性能等性质的影响。结果表明薄膜厚度对薄膜性能有重要影响。在同一电场下,有机铁电薄膜的剩余极化强度随厚度的增加而增加,X射线衍射(XRD)表明这主要是由于P(VDF-TrFE)薄膜结晶度和薄膜厚度有直接的关系,薄膜厚度越大,越有利于结晶。当薄膜厚度减低至100 nm以下的时候,结晶度急骤减小,其铁电性能也迅速减弱。掺入适量的DEP薄膜结晶度有所降低,但是其铁电性,漏电流和抗疲劳特性都随着DEP含量的增加增大。铁电性并不是随着DEP含量单调增长,而是在到达一定量后,铁电性又随DEP含量的进一步增加而减小甚至消失。实验结果表明当掺杂浓度为15%时,P(VDF-TrFE)薄膜表现出最优的铁电和电性能。第5章研究了制备Nd3+掺杂Bi4Ti3O12 (Bi3.5Nd0.5Ti3O12,记为BNT)薄膜和P(VDF-TrFE)/BNT双层复合薄膜,并研究了其微观结构、铁电性能及电学性能。结果表明复合薄膜有利于改善BNT薄膜的微观结构,减小漏电流,提高抗疲劳性能。双层复合薄膜的极化强度和介电常数会随着P(VDF-TrFE)厚度增加而减小。由于P(VDF-TrFE)薄膜的铁电性比BNT薄膜弱很多,当P(VDF-TrFE)薄膜厚度增加时,会使P(VDF-TrFE)/BNT双层复合铁电薄膜内的电偶极子数量少于相同区域内的BNT薄膜的电偶极子数量,导致铁电性减弱。随着P(VDF-TrFE)厚度的增加,电荷移动受到P(VDF-TrFE)薄膜的阻挡程度增大,所以漏电流密度也会减小。由于复合薄膜电容可以看成是P(VDF-TrFE)薄膜电容与BNT薄膜电容串联,而P(VDF-TrFE)的介电常数小于BNT的介电常数。当P(VDF-TrFE)薄膜厚度增加时,会使P(VDF-TrFE)/BNT双层复合铁电薄膜的电容与介电常数减小。
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