聚合物铁电超晶格及其在红外探测中的应用研究

Pyroelectric infrared detectors based on polyvinylidene fluoride (PVDF) ferroelectric polymers have many advantages, such as light, flexible, high sensitivity and high reliability. These merits ensure this infrared detector has enormous potential applications in space, military and civil fields. However, both the dielectric constant and pyroelectric coefficient of the PVDF polymers are rather small, which impedes its applications in developing infrared detectors with high performance. A polymer ferroelectric superlattice is proposed to resolve the intrinsic disadvantages of PVDF polymers. Fabricate multilayers consisted of alternating ferroelectric PVDF polymer and non-ferroelectric polymer by LB technology. Investigate the relationship between the crystal structure, electronic structure and molecule configuration of the multilayers. Analyze the connection between the structure and properties of the multilayers and the thickness of the repeat layer and periodical numbers. Study the temperature dependence of the properties of the multilayers. Obtain the superlattice structure with outstanding ferroelectric, pyroelectric and dielectric properties by changing the the repeat layer and periodical numbers. Explore the micro-mechanism of the origin of the outstanding properties of the superlattice and establish the theoretical model for the ferroelectric polymer superlattice. Fabricate infrared detector with high sensitivity based on the ferroelectric polymer superlattice to meet the application in space technology.

基于聚偏二氟乙烯（PVDF）基铁电聚合物的热释电非制冷红外探测器具有轻质、柔性、灵敏度高、可靠性高等优点，在空间技术、军事及民用等领域具有巨大潜在应用前景。然而，由于PVDF基聚合物的介电常数和热释电系数相对较低，成为制约发展高性能红外探测器的瓶颈。我们提出发展一种聚合物铁电超晶格解决PVDF基聚合物存在的上述问题。利用LB技术制备PVDF基铁电与其它非铁电聚合物组成的多层膜结构，研究多层膜的晶体结构与电子结构及分子构型之间的关系，分析多层膜结构、性能与单层膜厚度、周期数的关联以及多层膜性能的温度依赖关系。调节聚合物单层厚度、周期数等研制出具有优良铁电、热释电、介电特性的聚合物铁电超晶格结构。揭示聚合物超晶格结构优异性能起源的微观机制，建立描述聚合物多层膜结构和超晶格的理论模型。把聚合物铁电超晶格薄膜应用于红外探测器件，研制出具有高灵敏度、与读出电路匹配的红外探测芯片，以满足空间应用。

非制冷红外探测器在空间科学领域具有重要的应用，例如卫星姿态控制的地平仪的核心器件就是非制冷红外探测器，并且首选是基于铁电材料的热释电探测器。另外，在空间应用领域宽光谱的光谱仪具有极其重要的应用，尤其在诸如小行星探测科学研究项目中，这需要轻便、可靠性高的红外探测器。聚偏二氟乙烯(PVDF)聚合物是一种铁电材料，具有轻质、柔性等特点，可用于制备热释电红外探测器。由于传统的PVDF材料热释电系数和介电常数都较低，而介电损耗大，所以制备的探测器响应低、噪声高。针对这些问题，我们提出了制备PVDF基多层膜及PVDF/二维材料异质结，一方面用于制备传统结构的热释电红外探测器，另一方面发展宽波段响应的互补型红外探测器。.利用LB技术制备的PVDF 基多层膜结构的介电常数（在300-360 K 之间）达到23，热释电系数达到7×10-9CK-1m-2（25-40 oC）。通过对PVDF基多层膜结构的界面特性研究，我们认识到界面空间电荷对多层膜的介电、热释电特性起到了关键作用，同时也是低频介电损耗、高频介电弛豫现象的主要起源。研究了PVDF与MoS2、WSe2、PtSe2及二维有机-无机钙钛矿材料形成的异质结的结构与光电特性，发现了PVDF铁电极化局域场对二维材料能带结构、载流子迁移率等都有重要的影响，为设计、制备高性能红外光电探测器提供了丰富的实验数据和理论指导。我们制备的PVDF多层膜红外探测器成功用于FY-3-04卫星红外大气探测仪载荷的地面光路校准系统中，得到了载荷设计师的高度认可，保障了重大任务的顺利推进与实施。研制出了把热释电探测与光电探测集成于一体的新型互补探测器，响应波段覆盖从紫外到长波红外，其中PVDF层和二维材料互为增强或抑制噪声，从而实现了高灵敏的光探测，是一种全新的探测模式。.在本项目的资助下，有4名研究生获得了博士学位，发表科技论文8篇，申请发明专利3项。