荷蘭與德國研究人員成功製作出第一個平滑的鐵電δ相聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)薄膜。此材料具有雙穩態剩餘極化(bistable remanent polarization),能利用電場進行重複切換,因此非常適合用於資料儲存及塑膠電子學。
PVDF能耐高溫、具化學惰性且價格合宜,不過要製作出微電子應用所需的平滑鐵電性PVDF並不容易。最近,荷蘭格羅寧根(Groningen)大學和德國馬克斯普朗克高分子研究所(Max Planck Institute for Polymer Research)的研究人員發現,高溫製程能解決平整度問題,而對此塑膠施加短脈衝電壓則能使其形成鐵電極化δ相材料。
團隊主持人Dago de Leeuw解釋,一般PVDF是在室溫下製作,材料會以非極性相形成結晶, 因此具有粗糙的表面及非鐵電性質。不過,他們發現高溫處理能將PVDF轉變為平整的薄膜,而短脈衝電壓則可使其變成鐵電性。PVDF實際上擁有四種不同晶相,1980年代時已有人預測此δ相的存在,但直到現在才由上述團隊發現。
此團隊已經利用此δ-PVDF薄膜製作出非揮發性塑膠記憶體,包括鐵電性場效電晶體和雙閘鐵電性電晶體。元件可透過施加超過材料矯頑場的電壓進行寫入,而以稍低的偏壓進行非破壞性讀取。過去已有類似的塑膠記憶體裝置,該類元件以PVDF結合三氟乙烯(trifluoroethylene)的共聚物[P(VDF-TrFE)]所製作,不僅材料製作困難、價格昂貴,而且溫度超過80°C便會失去鐵電性,亦即所有儲存的資料都會消失。相較之下,δ-PVDF的資料保存可耐熱至170°C,因此相當適合記憶體應用。
Leeuw認為,此δ-PVDF薄膜可使用於許多塑膠電子學裝置上,應用範圍從可追蹤使用日期的智慧食物包裝到可穿戴式的健康監測器等。δ-PVDF同時也適合用於鐵電性微電子元件的滾筒製程。
由於δ-PVDF鐵電記憶體的操作電壓會隨著薄膜厚度減少而大幅降低,研究人員目前正著手製作更薄的δ-PVDF薄膜,並試圖維持其表面平整度,以利製作寫入/讀取電皆壓低於5 V的高效能記憶體元件。詳見Nature Materials|doi:10.1038/nmat3577。 |