聚合物铁电超薄薄膜制备及其电学热学性质研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘浦锋 |
| 答辩日期 | 2009-05-22 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 褚君浩 |
| 关键词 | 聚合物铁电薄膜 朗缪尔(Langmuir-blodgett)技术 介电驰豫 电热效应 探测优值 朗道－德文希尔唯象理论 |
| 学位专业 | 微电子学与固体电子学 |
| 英文摘要 | 在过去的几十年里，由于其非凡的铁电、介电、压电和电光等性质，铁电薄膜已经吸引了越来越多的关注。作为新型铁电材料，聚偏氟乙烯PVDF及其与三氟乙烯TrFE的共聚物P(VDF-TrFE)，由于其应用特性，如生长便利、费用低、性能稳定、易于与硅工艺整合等，是最被广泛研究的聚合物铁电材料。然而，常规的溶胶-凝胶技术和外延蒸发沉积制备的薄膜，结晶度低、非晶相杂质和分子链碎片等缺陷较多，对薄膜性能的提高有极大的影响。为提高PVDF基聚合物薄膜的结晶性和电学、力学性能，本文利用朗缪尔(Langmuir-Blodgett)技术(简称LB技术)从分子水平控制、生长PVDF基聚合物超薄薄膜，并对其分子链结构和电学、热学性质进行了研究，得到以下主要结果：1. 利用介电温谱、X射线衍射、拉曼光谱研究了P(VDF-TrFE)共聚物LB薄膜的介电性质。发现了其三处不同温度的介电驰豫，并且提出其微观结构：高温畸变(380 K)与铁电-顺电相转变有关；低温(270 K)介电异常能够被Vogel-Fulcher关系描述，属于β驰豫；320 K附近的介电色散能够被归于Maxwell-Wagner驰豫，与被局域化的缺陷有关。实验结果显示介电驰豫可能是由晶体区的结构缺陷引起的，这些缺陷有可能是来源于外部的杂质，象薄膜制备过程中吸收的水分子；也可能是内部杂质，象金属化的α相碎片或者团簇被嵌入绝缘β相分子链中。2. 通过对LB共聚物P(VDF-TrFE)薄膜和三聚物P(VDF-TrFE-CFE)薄膜的电热效应的研究，在近室温测得的最大绝热温度改变达到21 K。这可被归因于LB技术制备的薄膜具有高结晶度，高极化有序等结构特性，使得薄膜在外电场中的极化取向比体材料和旋涂法制备的薄膜排列更加有序，这也使得在外电场的作用下，薄膜的极化随温度变化更大，进而产生巨电热效应。3. 通过对P(VDF-TrFE)共聚物的介电常数和热释电系数的研究，在LB薄膜中，室温测得的热释电系数达到- 26.7 μC/m2K，是迄今为止在P(VDF-TrFE)共聚物中最高的，探测优值FD达到1.4，可以和已经商品化的探测器材料PZT薄膜相比，这可以被归因于LB薄膜的极化高度有序和出色的结晶性。4. 通过对生长在Al、LaNiO3、Pt三种不同底电极上生长的PVDF基薄膜的实验研究和第一性原理计算，我们发现：与Al电极相比，LNO电极大大增加了薄膜中的缺陷和弯曲分子链碎片，降低了薄膜的性能；由于分子链和Pt电极间的相互作用比分子链和Al电极间的相互作用强，所以，在Pt底电极上的薄膜中分子链移动和翻转更困难，导致在外电场中极化翻转也更困难。5. 利用朗道-德文希尔唯象理论，研究了平面内应变对铁电薄膜热动力态和介电、热释电性质的影响。对于钙钛矿结构BST薄膜，考虑其生长在正交NdGaO3基底上的情况，由此产生各向异性的平面内失配应变。进一步地，研究了应变随薄膜厚度的驰豫以及由此引起的热动力态和自发极化的变化。对于P(VDF-TrFE)薄膜，仅仅考虑了平面内各项均匀的失配应变对于薄膜热动力势和介电、热释电响应的影响。结合失配应变和外电场，计算了介电常数、调谐率和热释电系数在不同应变下随温度的变化情况。定量计算结果表明，平面内各项均匀的应变改变了薄膜的相变温度。尽管平面内各向均匀的应变仅仅改变了介电和热释电响应最大值的位置，没有改变其峰值的大小，但是在给定的温度(低于相变温度Tc)，压应变更有利于提高介电和热释电响应。 |
| 学科主题 | 红外基础研究 |
| 公开日期 | 2012-08-22 |
| 源URL | [http://202.127.1.142/handle/181331/5032]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_上海技物所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘浦锋. 聚合物铁电超薄薄膜制备及其电学热学性质研究[D]. 中国科学院研究生院. 2009. |
入库方式： OAI收割
来源：上海技术物理研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。