Ferroelectric polymers have attracted great interest due to their potential usage in a wide range of applications, such as nonvolatile memories devices, energy transducers, and wearable sensors. Such polymeric materials are especially desirable due to their increased flexibility, easy of processing, toxicity, and chemical stability. However, ferroelectric polymers often exhibit poor ferroelectric properties compared to their ceramic counterparts.
Well-aligned nanostructures potentially have enhanced materials properties. We demonstrate an approach for fabricating oriented poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) [P(VDF-TrFE)] thin films with enhanced ferroelectric properties by preparing the film on a nanostructured patterned substrate via spin coating. Prior to that, the crystalline morphologies and ferroelectric properties of films in flat Si wafers under different processing conditions were optimized and characterized using scanning probe microscopy (SPM). Afterwards, the behavior and functionality of P(VDF-TrFE) films on patterned substrate was investigated. The hypothetic mechanism of alignment was explored by comparing the crystalline arrangement in different fabrication conditions and periodicity of patterns. Dipole and chain orientation in film were evaluated through structural characterization and SPM-based methods. As a result, bidirectional alignment of P(VDF-TrFE) lamellae on patterned substrate was obtained when the size of lamellae is comparable with the period of pattern. The degree of alignment showed a decreasing trend with the increase of period. Moreover, the preferential orientation of ferroelectric lamellae results in ordered molecular chain, which provides excellent ferroelectric properties with low coercive field and high in-plane remnant polarization. We envision the integration of such aligned ferroelectric polymer with cheaper, flexible electronic devices.
강유전체 고분자는 비휘발성 메모리 소자, 에너지 변환기, 웨어러블 센서와 같은 광범위한 응용 분야에서 잠재적인 사용으로 인해 큰 관심을 끌고 있다. 이러한 고분자 재료는 유연성이 뛰어나고, 가공이 용이하며, 내독성 및 화학적 안정성 때문에 응용 가능성이 확대되고 있다. 그러나 압전 고분자는 세라믹에 비해 낮은 압전 특성을 보이는 경우가 많다.
잘 정렬된 나노구조물은 잠재적으로 향상된 재료 특성을 가지고 있다. 강유전체 고분자를 나노스케일 수준에서 기하학적 설계를 도입하여 제작함으로써,결정체의 우선적인 배향을 이룰 수 있고 강유전체 특성을 향상시킬 수 있다. 이를 위해 스핀 코팅을 통해 나노구조 패턴 기판 상에 폴리(비닐리덴플루오라이드-트리플루오로에틸렌)[P(VDF-TrFE)] 박막을 제조하였다. 주사탐침 현미경(SPM)을 사용하여 서로 다른 샘플 제조 방법과 열처리 조건에서 평판 Si 웨이퍼에 있는 필름의 결정성 형태와 강유전체 특성을 최적화하였으며, 이후 선과 공간 패턴을 가진 기판 상의 P(VDF-TrFE) 필름의 거동 및 기능성을 조사하였다. 서로 다른 제작 조건과 패턴의 크기에서 정렬 결과를 비교함으로써 정렬 메커니즘을 탐구했다. 쌍극자 및 사슬 방향의 구조적 특성화는 X선 회절계와 푸리에 변환 적외선 분광기를 사용하여 수행되었다. 또한, PFM을 사용하여 강유전체 도메인 구조와 결정 형태 사이의 연관성을 분석하였다. 패턴화된 기재 상의 P(VDF-TrFE) 라멜라의 크기가 패턴의 주기와 비교할 수 있을 때 양방향 정렬이 얻어졌다. 정렬 정도는 기간 증가에 따라 감소 추세를 보였다. 또한 강유전체 라멜라의 우선적인 배향은 분자 사슬을 질서 있게 만들어 낮은 강유전체 특성과 높은 면내 잔존 분극성을 제공한다. 이를 통해, 우리는 나노 구조화된 강유전체 고분자의 구조와 특성 사이의 상관 관계를 더 잘 이해하고자 한다.
