超薄铁电聚合物薄膜力电特性理论及实验研究

Compare to the traditional inorganic ferroelectrics, some outstanding characteristics such as low crystallization temperature, high polarization and high flexiblility have been reported in organic ferroelectric materials. As its low cost, ease of process super-thin films and febricate into devices, it becomes a promissing new generational ferroelectric material for developing micro-nano ferroelectric functional devices, and quickly become hot researching spots.Recently, less is known on organics ferroelectric materials in micro-nano scale, especially in the research of mechanical-electrical properties of organic ferroelectric super-thin films has less been reported. The project intends to combine molecular dynamics simulasion and experimental preparation, analysis and testing methods, focus on the typical organic ferroelectric materials poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and related copolymers, with careful consideration of the mechanism of surface, size effect and mechanical-electrical control of ferroelectric properties. The project will make an in-depth study on phase transition, polarization, microstructure, domain evolution, piezoelectric and pyroelectric properties of orgainic ferroelectric super-thin films. The research of our project should provide instructive information on the research of the ferroelectric polymers super-thin films and develop novel micro-nano ferroelectric devices.

有机铁电材料相对于传统无机铁电材料具有结晶温度低、自发极化较大、硬性可控、易拉伸压缩和弯曲等优良特性，由于成本低廉且易生长成超薄薄膜并形成器件化，有望成为用于微纳铁电功能器件的新一代铁电材料，近年来迅速成为研究热点。目前对于有机铁电材料微纳尺度的研究较匮乏，特别是关于超薄有机铁电薄膜力电耦合及特性的报道甚少。本项目通过运用分子动力学方法，结合铁电材料制备和力电性能测试，以典型的有机铁电材料聚偏氟乙烯及其共聚物超薄铁电薄膜为研究对象，综合研究表面、尺寸效应及力电调控对材料铁电性的影响机理，深入探讨超薄铁电聚合物薄膜相变、极化、微观结构、铁电畴演化、压电、热电等性能。本项目研究结果将为研究超薄有机铁电薄膜性能和发展新型微纳铁电器件具有重要的指导意义。

铁电材料具有自发极化，且可随着外电场变化而发生反转，在现代电子产业、信息领域具有广泛应用。 前对于有机铁电材料微纳尺度的研究较匮乏，特别是关于超薄有机铁电薄膜力电耦合及特性的报道甚少。本项目围绕“超薄铁电聚合物薄膜力电特性”展开研究，主要在以下方面取得重要进展：理论方面，运用分子模拟方法，计算了单分子层Au/PVDF/Ir隧道结在“F-Au”和“H-Au”两种状态下的结构以及能量，以及“F-Au”和“H-Au”状态下的 P(VDF-TrFE)单分子层隧道结的输运性质，解释了界面和力学调控单分子层极性以及极性对电导特性的影响规律，揭示了极性和输运性质的界面和力电可调控性。实验方面，基于Langmuir-Blodgett 提拉膜技术，我们制备出一系列超薄铁电聚合物薄膜结构，对其铁电、力电、电导等基本性能及相关特性进行了深入表征和测量，揭示了铁电聚合物超薄膜的巨隧穿电阻效应；力学调控方面，我们搭建了力学加载和测试平台，运用旋涂和转印法制备了可延展P(VDF-TrFE)屈曲条带，研究了应变载荷对畴结构稳定性影响的规律。总体而言，项目按计划执行，取得了一定的成果，相关研究成果揭示了铁电聚合物超薄膜极性和畴结构的机械载荷可控性规律，对相关器件设计和应用具有重要指导意义。