有机铁电薄膜的电疲劳恢复特性研究x

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1、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：2013.6.1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低温制备IGZO薄膜主要内容研究背景铁电聚合物：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—器件寿命极化疲劳严重限制了有机铁电存储器的商业化

2、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！FeFET铁电聚合物铁电性概述铁电性是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。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。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。铁电畴在外加电场作用下的翻转过程(无机铁电材料)外加交变电场铁电畴的电滞回线示意图铁电性极化疲劳失效问

3、题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。典型的P-V电滞回线随极化反转次数的衰减过程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。一种典型的疲劳机理是电荷注入模型极化前，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。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。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

4、边界，因而表现出抑制铁电畴翻转的作用。极化疲劳机理示意图：(a)疲劳前(b)疲劳中(c)疲劳深入极化疲劳恢复特性实验样品制备（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。电容结构样品示意图铁电薄膜的电学测量装置使用Sawyer-Tower电路(a)极化翻转电流(b)P-V回线极化疲劳恢复特性AFM形貌表征P(VDF-TrFE)薄膜退火前后表面形貌图（40μm×40μm）P(

5、VDF-TrFE)薄膜退火前后表面形貌图（5μm×5μm）大范围扫描的情况下退火前后的表面形貌并没有很明显的区别，都能看到大颗粒的团簇。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。极化疲劳恢复特性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。施加频率为100Hz、幅度为51V的持续双极性方波使样品疲劳；每隔一段时间，用频率为1Hz，幅度为51V

6、的三角波测量其极化翻转电流和电滞回线。实验中所用的紫外灯中心波长为365nm，光强为100mW/。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。极化疲劳恢复特性紫外辐照对疲劳恢复的影响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

7、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。单位：初始Pr值疲劳后的Pr值疲劳后/始值恢复后的Pr值恢复后/初始值（a）0.03380.014843.8%0.016348.2%（b）0.03020.013645.0%0.013745.4%（c）0.04000.014335.8%0.026867.0%（d）0.03840.015339.8%0.028373.7%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