柔性有机铁电薄膜的自极化机理研究

Material polarization is a key step in the fabrication of uncooled ferroelectric infrared focal plane arrays. Organic ferroelectric thin films, with flexible and lightweight features, can greatly expand infrared detectors' application area. However, there are still many problems in the polarization process on flexible substrate, which limit its development. Self-polarization phenomena may offer novel solutions, so far, the physical origin remains uncertain. The low self-polarization ratio and the uniformity are unable to meet practical requirements. This project intends to prepare self-polarized organic ferroelectric thin films on flexible substrates by a variety of techniques, exploring the self-polarization conditions in different film-forming procedure, researching the domains generation and orientation differences, understanding the physical mechanism of the self-polarization in-depth. Thus we could find out an innovative self-polarized film preparation method and connect the polarization ratio with the film processing parameters. Furthermore, relying on the analysis equipment of detection performance, the prototype devices could be evaluated. A comprehensive system could be set up, including self-polarized ferroelectric polymer film detector's preparation, testing and analysis system. These results will provide key technology needed in the development of infrared focal plane detectors. Through this project, the self-polarization mechanism and process conditions of ferroelectric polymer films could be achieved, which could promote future applications in various fields.

非制冷单片集成式铁电红外焦平面探测器中，器件极化是一个关键步骤。有机铁电薄膜红外探测器具有柔性轻量化的特征，极大拓展了其应用领域，然而在柔性衬底上进行极化仍存在诸多问题，限制了其发展。自极化现象提供了新的可能，但其物理起源尚不清楚，同时自极化率亦较低，无法达到均匀完全极化,不能满足实用要求。本项目拟通过多种成膜方式在柔性衬底上制备自极化有机铁电薄膜，从薄膜材料晶化机理、电极材料与铁电畴在界面的相互作用、空间电荷对极化稳定性的影响等方面，探索铁电自极化的发生条件,研究各种成膜方式下铁电畴生成与取向的差异，深入理解有机铁电体自极化的物理机制，形成创新而有效的自极化有机铁电薄膜制备方法。依托现有各种探测分析设备对原型器件进行评价，形成完备的以自极化工艺为主要特征的柔性有机铁电薄膜器件制备、测试、分析系统，为柔性有机铁电红外焦平面的研究提供关键技术，推动其在国防军工、智能家居、物联网等领域的应用。

本项目针对铁电薄膜的自极化现象开展研究，尝试了多种薄膜制备方式，通过对极化畴与极化场的表征，深入理解铁电自极化产生的物理机制，在成膜过程与铁电性之间建立关联。自极化的铁电薄膜研究可以推动多类型热释电/压电探测器的研制，对于未来柔性传感器的制备具有重要意义。基于该背景，我们开展了对于有机铁电超薄膜、传统铁电陶瓷材料以及铁电场调控的低维半导体器件的研究工作。.在LB方法制备的有机铁电超薄膜中，发现了在单层/少层情况下，自极化现象明显，随着层数的增加，自极化现象逐渐减弱，同时，铁电畴呈现出从本征极化翻转到非本征极化翻转的转变（45 nm附近）。明确了铁电超薄膜中铁电畴的尺度，明确了层间作用力对于自极化的影响。该结果对于有机铁电超薄膜的制备及应用具有非常重要的参考价值。.深入研究了铁电材料与电极材料的界面效应，指出了Al电极材料与铁电薄膜的界面能自发形成Al/AlOx/Ferro夹层结构，形成空间电荷交换区。受铁电极化状态的影响，界面电荷的迁移特性将随之发生变化。在热释电探测器件以及阻变存储器件应用中，空间电荷效应的发现都具有极其重要的影响。该结果对于新型铁电忆阻器以及热释电红外探测器的研究具有重要的参考意义。.在结合低维半导体材料构建铁电场调控器件的研究中，我们广泛地尝试了石墨烯，MoS2，MoSe2，In2Se3等多种材料，采用不同极化取向的铁电栅极，可以有效地调控低维半导体沟道的输运特性，从而实现同一结构上，不同的铁电增强效应（抑制暗电流，或提高响应速度等）。该结果对于光电探测、热探测以及宽光谱探测的器件制备具有重要意义。在结合二维钙钛矿材料的研究中，同样发现了铁电场的增强效应，该结果对于柔性广电/光伏器件的性能进一步提升也具有参考价值。.在本项目资助下，课题已发表SCIE期刊论文9篇，申请专利3项。