铁电材料及其应用(2)解读
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铁电材料及其应用
报告人：黎丹
目录
• 铁电基础 • 有机铁电聚合物薄膜PVDF • 文献阅读
• 基本概念
铁电材料（Ferroelectrics）
1.具有自发极化强度（Ps）——必要条件 Spontaneous Polarization
2.极化方向可随外加场变化
Switchable Ps
铁电基础 • 主要特征
temperatures
• the electric displacement as a function of electric field at different temperatures
• The results deduced from Maxwell relations
• the directly measured ΔS and ΔT as a function of temperature
④不含铅等有害物质，原料合成与薄膜制备的费用低； ⑤PVDF 基薄膜适用于光刻等微加工技术。 ⑥PVDF 薄膜具有很好的力学性能，可以制备自支撑结构的
探测器。
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
➢ PVDF 薄膜的制备
1.旋涂法
超声
PVDF +溶剂
PVDF 真空脱气 溶液 硅基旋涂
PVDF 初膜
真空热 处理
存储的信息断电不会丢失 铁电体不仅作为电容而且是存储器的一部分
优点：
•低电压运作（1.0-5.0V），低功耗 •小尺寸，仅为EEPROM单元的20％ •抗辐射（军用，卫星通信） •高速（200ns读取） •易与其他Si器件集成
铁电基础
2.铁电动态随机存储器（DRAM）
铁电薄膜具有大的介电常数(ε=100-2000)，代替 SiO2(ε=3.9)，可减小存储单元面积
本组工作—— 有机聚合物铁电超薄膜PVDF
PVDF有几种不同的构型，包括全反式TTTT，顺反交替式TG+， TG-，TTTG+和TTTG-构型。 不同构型的分子链按照不同的排列方式造成了PVDF不同的晶 形，常见有α，β，γ，δ四种晶形。
有机聚合物铁电超薄膜PVDF ➢ 种类
聚偏氟乙烯
铁电 聚合 物的 种类
二、热释电红外探测器
➢ 无机含铅铁电材料如：PZT、PST已成为非制冷红外 探测器中的主要铁电材料。
➢ 但传统的热释电材料与硅基读出电路系统的集成存 在比较大的问题，导致了焦平面器件的可靠性差。
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
PVDF薄膜在红外探测器中的应用
开始我们设计制备基于P（VDF-TrFE）_LB 薄 膜的单元红外探测器，探测电压响应率为1700 V/W。
The End
聚三氟乙烯 聚氨酯 奇数尼龙
铁电聚合物的研究主要是聚偏氟乙烯及其共聚物
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
PVDF及共聚合物具有以下优点
①PVDF 的处理温度低于200℃，有利于他们与半导体技术集 成；
②PVDF 薄膜具有二维铁电性，即使厚度只有几十纳米，其 铁电和热释电性仍不具有明显变化。
③它们能够被沉积在各种各样的基片上，如柔性的聚酰亚胺 基片；
temperature and/or entropy of a dielectric material due to the electric field induced change of dipolar states. • 原理：
电热效应的大小
1.直接测量： 直接测量外电场变化引起的等温熵变ΔS和
绝热温度变化ΔT
• thermocouple • thermometer • calorimeter
2.理论推导
• Maxwell relations
方法对比
• the electric displacement as a function of electric field measured at various
压电材料
光学倍频器
热电材料
铁电材料
铁电基础
铁电存储器（MFSFET）
在MOS中用铁电薄膜（F）代替二 氧化硅栅氧化物薄膜（O）构成 MFSFET场效应管
• 由于极化滞后，漏电流展现两种 状态：ON/OFF
• 读写过程不需要大电场，在读写 后也不需要重写，设计简单
铁电基础
1.非挥发性铁电随机存储器（NvFRAM）
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
改进探测器结构后，制备了自支撑结构单元器件， 通过改进吸收层特性，探测器电压响应率提高到 4000 V/W 左右，热学时间常数也由 50 ms 减小到 35 ms
文献阅读
电热效应
• 定义：The electrocaloric effect (ECE) is the change in
PVDF 薄膜 样品
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
2.LB法
PVDF分子式
非极性基团（亲油）
极性基团（亲水）
可视ຫໍສະໝຸດ Baidu双亲分子
➢ 膜厚易于精确控制 ➢ 可形成单分子层膜或多层膜 ➢ 成膜条件容易实现 ➢ 获得特种要求的超薄膜。
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
第一步：水-气界面形成单分子层
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
铁电基础 • 性质与相应器件
性质
介电性 压电性 热释电性 铁电性 电光效应 声光效应 光折变效应 非线性光学效应
主要器件
电容器、动态随机存取存储器（DRAM）
声表面波（SAW）器件、微型压电马达、微型压电驱动器
热释电探测器及阵列
铁电随机存取存储器（FRAM）
光调制器、光波导
声光偏转器 光调制器、光全息存储
1.电滞回线（hysteresis loop） ——铁电态的
•自发极化Ps •剩余极化Pr •矫顽电场Ec
铁电基础
2.铁电畴
电畴：铁电体中自发极化方向一致的小区域 畴壁：电畴与电畴之间的边界
电畴
180°畴 壁
90°畴壁
铁电基础 • 发展概况
1.罗息盐时期——发现铁电性 2.KDP时期——热力学理论 3.钙钛矿时期——软模理论 4.铁电薄膜及器件时期——小型化
第二步：转移至固相衬底制膜 水平附着法
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
➢ PVDF 薄膜的应用
一、有机铁电存储器
若采用有机半导体，则可 以实现全有机的铁电存储 器
存在问题：需要提高剩余极化、减低工作电压、增加
薄膜的结晶度和优化结晶方向、解决界面效应、提升 疲劳特性和提高介电常数 等等。
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
报告人：黎丹
目录
• 铁电基础 • 有机铁电聚合物薄膜PVDF • 文献阅读
• 基本概念
铁电材料（Ferroelectrics）
1.具有自发极化强度（Ps）——必要条件 Spontaneous Polarization
2.极化方向可随外加场变化
Switchable Ps
铁电基础 • 主要特征
temperatures
• the electric displacement as a function of electric field at different temperatures
• The results deduced from Maxwell relations
• the directly measured ΔS and ΔT as a function of temperature
④不含铅等有害物质，原料合成与薄膜制备的费用低； ⑤PVDF 基薄膜适用于光刻等微加工技术。 ⑥PVDF 薄膜具有很好的力学性能，可以制备自支撑结构的
探测器。
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
➢ PVDF 薄膜的制备
1.旋涂法
超声
PVDF +溶剂
PVDF 真空脱气 溶液 硅基旋涂
PVDF 初膜
真空热 处理
存储的信息断电不会丢失 铁电体不仅作为电容而且是存储器的一部分
优点：
•低电压运作（1.0-5.0V），低功耗 •小尺寸，仅为EEPROM单元的20％ •抗辐射（军用，卫星通信） •高速（200ns读取） •易与其他Si器件集成
铁电基础
2.铁电动态随机存储器（DRAM）
铁电薄膜具有大的介电常数(ε=100-2000)，代替 SiO2(ε=3.9)，可减小存储单元面积
本组工作—— 有机聚合物铁电超薄膜PVDF
PVDF有几种不同的构型，包括全反式TTTT，顺反交替式TG+， TG-，TTTG+和TTTG-构型。 不同构型的分子链按照不同的排列方式造成了PVDF不同的晶 形，常见有α，β，γ，δ四种晶形。
有机聚合物铁电超薄膜PVDF ➢ 种类
聚偏氟乙烯
铁电 聚合 物的 种类
二、热释电红外探测器
➢ 无机含铅铁电材料如：PZT、PST已成为非制冷红外 探测器中的主要铁电材料。
➢ 但传统的热释电材料与硅基读出电路系统的集成存 在比较大的问题，导致了焦平面器件的可靠性差。
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
PVDF薄膜在红外探测器中的应用
开始我们设计制备基于P（VDF-TrFE）_LB 薄 膜的单元红外探测器，探测电压响应率为1700 V/W。
The End
聚三氟乙烯 聚氨酯 奇数尼龙
铁电聚合物的研究主要是聚偏氟乙烯及其共聚物
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
PVDF及共聚合物具有以下优点
①PVDF 的处理温度低于200℃，有利于他们与半导体技术集 成；
②PVDF 薄膜具有二维铁电性，即使厚度只有几十纳米，其 铁电和热释电性仍不具有明显变化。
③它们能够被沉积在各种各样的基片上，如柔性的聚酰亚胺 基片；
temperature and/or entropy of a dielectric material due to the electric field induced change of dipolar states. • 原理：
电热效应的大小
1.直接测量： 直接测量外电场变化引起的等温熵变ΔS和
绝热温度变化ΔT
• thermocouple • thermometer • calorimeter
2.理论推导
• Maxwell relations
方法对比
• the electric displacement as a function of electric field measured at various
压电材料
光学倍频器
热电材料
铁电材料
铁电基础
铁电存储器（MFSFET）
在MOS中用铁电薄膜（F）代替二 氧化硅栅氧化物薄膜（O）构成 MFSFET场效应管
• 由于极化滞后，漏电流展现两种 状态：ON/OFF
• 读写过程不需要大电场，在读写 后也不需要重写，设计简单
铁电基础
1.非挥发性铁电随机存储器（NvFRAM）
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
改进探测器结构后，制备了自支撑结构单元器件， 通过改进吸收层特性，探测器电压响应率提高到 4000 V/W 左右，热学时间常数也由 50 ms 减小到 35 ms
文献阅读
电热效应
• 定义：The electrocaloric effect (ECE) is the change in
PVDF 薄膜 样品
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
2.LB法
PVDF分子式
非极性基团（亲油）
极性基团（亲水）
可视ຫໍສະໝຸດ Baidu双亲分子
➢ 膜厚易于精确控制 ➢ 可形成单分子层膜或多层膜 ➢ 成膜条件容易实现 ➢ 获得特种要求的超薄膜。
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
第一步：水-气界面形成单分子层
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
铁电基础 • 性质与相应器件
性质
介电性 压电性 热释电性 铁电性 电光效应 声光效应 光折变效应 非线性光学效应
主要器件
电容器、动态随机存取存储器（DRAM）
声表面波（SAW）器件、微型压电马达、微型压电驱动器
热释电探测器及阵列
铁电随机存取存储器（FRAM）
光调制器、光波导
声光偏转器 光调制器、光全息存储
1.电滞回线（hysteresis loop） ——铁电态的
•自发极化Ps •剩余极化Pr •矫顽电场Ec
铁电基础
2.铁电畴
电畴：铁电体中自发极化方向一致的小区域 畴壁：电畴与电畴之间的边界
电畴
180°畴 壁
90°畴壁
铁电基础 • 发展概况
1.罗息盐时期——发现铁电性 2.KDP时期——热力学理论 3.钙钛矿时期——软模理论 4.铁电薄膜及器件时期——小型化
第二步：转移至固相衬底制膜 水平附着法
有机聚合物铁电超薄膜PVDF
➢ PVDF 薄膜的应用
一、有机铁电存储器
若采用有机半导体，则可 以实现全有机的铁电存储 器
存在问题：需要提高剩余极化、减低工作电压、增加
薄膜的结晶度和优化结晶方向、解决界面效应、提升 疲劳特性和提高介电常数 等等。
有机聚合物铁电超薄膜PVDF