Ferroelectric materials have been extensively researched across various application fields such as high-density non-volatile memory, transistors, sensors, and energy harvesters. Particularly, the ferroelectric polymer film of poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) [P(VDF-TrFE)] has garnered attention due to its cost-effectiveness, light weight, flexibility, environmental friendliness. and ease of processing. In this study, P(VDF-TrFE) thin films were fabricated under optimized process conditions and their surface characteristics and ferroelectricity were analyzed using scanning probe microscope (SPM). Through investigation of local polarization switching properties, we observed asymmetric polarization switching and anomalous domain growth when the ferroelectric polymer films were subjected to positive-biased atomic force microscopy (AFM) tip, and confirmed this signal originates from actual ferroelectric domains. Through environmental controlled experiments, we revealed that humidity in the atmosphere plays a dominant role in forming a water meniscus and layers between the tip and the sample, leading to asymmetric polarization switching. Specifically, we predicted that these layers act as electric field distribution layers and ion conduction layers and introduced a potential hypothesis for the anomalous polarization switching behavior. We suggest a complex mechanism involving a physical model of asymmetric charge injection resulting from surface band bending between the polymer film and metal electrode depending on the direction of the applied voltage and a chemical model involving ion diffusion due to water molecule dissociation and differences in binding strength between water molecules and polymer chains. This study demonstrates that by controlling environmental conditions, we can manipulate nano-scale polarization switching in P(VDF-TrFE) and models the abnormal polarization switching behavior in ferroelectric polymer films due to complex causes. This research is expected to contribute to a sophisticated understanding of the polarization switching dynamics and domain growth in ferroelectric polymers and their applications.
강유전 물질은 고밀도 비휘발성 메모리, 트랜지스터, 센서, 에너지 하베스터와 같은 다양한 응용 분야에서 광범위한 연구 대상이 되어왔다. 특히 고분자 강유전체인 폴리(비닐리덴플루오라이드-트리플루오로에틸렌) [P(VDF-TrFE)] 박막은 비용 효율성, 가벼움, 유연성, 친환경성으로 주목을 받는다. 본 연구에서는 최적화된 공정 과정 하에 고분자 강유전체 박막을 제작하고 이를 주사탐침 현미경을 통하여 표면 특성과 강유전성을 분석하였다. 압전감응력 현미경을 통하여 국부적인 분극 스위칭 특성을 조사하는 과정에서 양전압을 원자간력 현미경 팁에 조사하였을 때에만 비이상적으로 도메인이 성장하는 비대칭적인 분극 스위칭이 발생하는 것을 관찰하였으며 이 이미징이 실제 분극 스위칭이 발생한 강유전 도메인으로부터 발생하였음을 확인하였다. 환경 제어 실험을 통하여 대기 중 습도가 팁과 샘플 사이에 물 반월상과 흡착층을 형성하여 비대칭 분극 현상과 도메인 성장에 지배적인 역할을 하는 것을 밝혔고, 구체적으로 전기장 분포층과 이온 전도층으로써 작용할 것이라 예측하였다. 각각의 모델에서 팁에 인가되는 전압의 방향에 따라 고분자 필름과 금속 전극의 접합에서의 주입 전하의 비대칭으로 인한 전기장 분포 비대칭의 물리적 요인, 그리고 전기장 인가에 따른 물 분자 해리로 발생된 이온의 확산과 물과 고분자 사슬 사이의 결합 비대칭의 전기화학적 요인의 복합적인 작용에 인해 비이상적인 분극 스위칭 거동이 유도된다는 가설을 제시하였다. 이로써 환경 조건을 제어함으로써 P(VDF-TrFE)의 나노 스케일 분극 스위칭을 제어할 수 있음을 확인하였고, 복합적인 원인에 의하여 강유전체 고분자 박막의 비이상적 분극 스위칭 거동이 발생하는 것을 모델링하였다. 본 연구가 강유전체 고분자의 분극 스위칭 역학과 도메인 성장에 대한 정교한 이해와 이의 활용에 기여할 것으로 기대한다.
