[發明專利]使用環境穩健的溶液處理來制備納米級有機鐵電膜

在審

• 申請號: 201580060745.X
• 申請日: 2015-06-01
• 公開（公告）號: CN107078218A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發明（設計）人: 樸志勛;胡薩姆·N·阿爾沙雷夫;伊哈卜·N·烏達
• 申請（專利權）人: 沙特基礎工業全球技術公司
• 主分類號: H01L51/30
• 分類號: H01L51/30
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理有限公司11270
• 代理人: 胡春光,張穎玲

相關申請的交叉引用

本申請要求于2014年9月12日提交的題為“使用環境穩健的溶液處理來制備納米級有機鐵電膜”的第62/049,717號美國臨時申請的權益。所引用的專利申請的全部內容以引用方式并入本申請中。

技術領域

概括地說，本發明涉及在環境或室溫條件下有機鐵電薄膜的制備。工藝參數包括以足以產生厚度為400nm或更小的鐵電膜的量將加熱的包含有機鐵電聚合物和溶劑的溶液(至少75℃至溶劑的沸點)沉積至襯底上。當與用加熱的溫度低于75℃的溶液制備的薄膜比較以及與厚度大于400nm的薄膜比較時，所得薄膜具有改善的表面形態(例如，降低的表面粗糙度)。

背景技術

存儲系統在許多電子產品，例如個人計算機系統、基于嵌入式處理器的系統、視頻圖像處理電路、便攜式電話等中用于存儲數據、程序代碼和/或其它信息。電子裝置中的存儲單元的重要特征是低成本、非易失性、高密度、可寫性、低功率和高速度。傳統的存儲器解決方案包括只讀存儲器(ROM)、可編程只讀存儲器(PROM)、電可編程存儲器(EPROM)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)、動態隨機存取存儲器(DRAM)和靜態隨機存取存儲器(SRAM)。

最近，已經嘗試了鐵磁RAM(FRAM)。FRAM利用鐵電電容器、薄膜晶體管或二極管的鐵磁區或鐵磁膜來產生非易失性存儲單元。此類電子裝置使用由鐵電聚合物層分開的兩個平行導電板制造。鐵電聚合物層是一層絕緣膜，其含有可通過相對的電場重復地反轉的永久電極化。因此，鐵電電容器、薄膜晶體管或二極管具有兩個可能的非易失性狀態，它們可以在沒有電功率下保持，對應于數字存儲器中的兩個二進制邏輯電平。另外，鐵電電容器、晶體管和二極管也提供能量存儲功能。當跨板施加電壓時，鐵電材料中的電場移動電荷，從而存儲能量。所存儲的能量的量取決于絕緣材料的介電常數和膜的尺寸(總面積和厚度)。

通常，聚(偏二氟乙烯)(PVDF)型聚合物或共聚物(例如，PVDF與三氟乙烯(TrFe)的共聚物(PVDF-TrFe))由于它們的大極化值以及電性質和材料性質而用作鐵電材料。PVDF型聚合物對于電子裝置是有吸引力的，因為它們可以以膜的形式并且以各種形狀生產，具有高的耐化學性和將機械能轉化成電能的高效率。PVDF具有五種不同的多晶型物(也稱為相)，即阿耳法(α)、貝它(β)、伽馬(γ)、德耳塔(δ)和伊普西隆(ε)，最常見的多晶型物是阿耳法(α)多晶型物。α-多晶型物顯示出很少至沒有鐵電性質，而其余的相顯示出較強的鐵電性質，其中β-多晶型物最優選。

已經進行了許多嘗試以使用各種處理條件例如溶液處理、熔融處理或機械處理將α-多晶型物轉變為更合乎需要的β-多晶型物。這些方法具有缺點，因為它們只能制備厚度為幾微米(例如，大于1,000納米(nm))的PVDF型聚合物膜，所述膜較不適合用于微電子裝置中。納米級膜的開發一直較為困難，因為薄膜在高電場下更易于破壞。目前的技術使用蒸發沉積方法，例如熱氣相沉積、電離氣相沉積、電場輔助氣相沉積、低壓化學氣相沉積等來制備納米級膜。雖然這些類型的方法可以在襯底上形成β-多晶型物，但在蒸發過程中使用的條件(例如，約350℃的溫度)往往導致分子量、結晶度的降低，并且因此鐵電和光學性質的降低。

產生鐵電膜的其它嘗試包括在低于80℃的溫度下處理聚合物溶液以抑制呈α-多晶型物的聚合物的結晶。這些方法通常產生具有大于1微米的厚度的膜，其具有表現在聚合物層的表面上的一系列形貌構造(參見例如Ramasundaram等人，Macromolecular Chemistry and Physics,2008，第209卷，2516-2526和Ramasundaram等人，Macromolecular Chemistry and Physics,2009，第210卷，951-960)。這些形貌構造可使表面粗糙，因此較不適合用于一些襯底，并且還可影響膜的鐵電性質。

Cardoso等人，Smart Materials and Structures,2011，第20卷，pp.描述了一種通過在環境條件下沉積之后直接熱退火來產生300nm或更厚的鐵電膜的方法。由該方法產生的薄膜結晶為多孔膜，從而導致電子性質差。