使用脈沖電磁輻射來處理薄膜有機鐵電材料制造技術

公開了一種用于產生聚合鐵電材料的方法。所述方法可以包括(a)獲得聚合鐵電前體材料，以及(b)使聚合鐵電前體材料經受足以形成具有鐵電滯后性質的聚合鐵電材料的脈沖電磁輻射，其中，所述聚合鐵電前體材料在步驟(b)之前先前并未經受熱處理超過55分鐘。

Treatment of thin film organic ferroelectric materials by pulsed electromagnetic radiation

Disclosed is a method for producing a polymeric ferroelectric material. The method can include (a) polymerization of ferroelectric precursor material, and (b) the polymeric precursor material to withstand ferroelectric formed with pulsed electromagnetic radiation, ferroelectric hysteresis properties of the ferroelectric material polymerization, the polymerization of ferroelectric precursor materials in step (b) before the heat treatment did not exceed 55 minutes.

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】相關申請的交叉引用本申請要求2014年6月9日提交的題為“PROCESSINGOFTHINFILMORGANICFERROELECTRICMATERIALSUSINGPULSEDELECTROMAGNETICRADIATION”的美國臨時申請號62/009,729和2015年2月5日提交的題為“PROCESSINGOFTHINFILMORGANICFERROELECTRICMATERIALSUSINGPULSEDELECTROMAGNETICRADIATION”的美國臨時申請號62/112,203的權益。所參考專利申請的全部內容被通過引用結合到本申請中。
本公開一般地涉及可以在非易失性存儲器和能量儲存應用中使用的聚合鐵電材料的處理。過程包括使用脈沖電磁輻射技術將聚合鐵電前體材料轉換成具有鐵電滯后性質的鐵電材料。用本專利技術的過程可以使鐵電前體材料的傳統熱處理最小化且甚至避免。此外，過程允許實現低成本卷到卷(R2R)技術來制造本專利技術的聚合鐵電材料。
技術介紹
存儲器系統在許多電子產品(諸如個人計算機系統、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)中被用于存儲數據、程序代碼和/或其它信息。用于電子裝置中的存儲器存儲單元的重要特性是低成本、非易失性、高密度、可寫性、低功率以及高速度。常規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)。ROM是相對低成本的，但是不能被重寫。PROM可以被電編程，但是具有僅單個寫循環。EPROM具有相對于ROM和PROM讀循環而言快速的讀循環，但是具有相對長的擦除時間和僅在幾個重復讀/寫循環內的可靠性。EEPROM(或“閃存”)是價格低廉的，并且具有低功耗，但是與DRAM或SRAM相比具有長的寫循環(m)和低的相對速度。閃存還具有有限數目的讀/寫循環，導致低的長期可靠性。ROM、PROM、EPROM和EEPROM全部是非易失性的，意味著如果給存儲器的供電被中斷，則存儲器將保持存儲在存儲器存儲單元中的信息。DRAM將電荷存儲在晶體管柵極上，其充當電容器，但是必須每幾毫秒被電刷新，由于要求單獨的電路以在電容器放電之前“刷新”存儲器內容而使系統設計復雜化。SRAM不需要被刷新且相對于DRAM而言是快速的，但相對于DRAM而言具有較低密度且更加昂貴。SRAM和DRAM兩者是易失性的，意味著如果給存儲器的供電被中斷，則存儲器將失去存儲在存儲器存儲單元中的信息。因此，現有技術是非易失性的，但并不是可隨機訪問的且具有低密度、高成本以及允許以電路功能的高可靠性進行多次寫入的有限能力，或者其是易失性的且使系統設計復雜化或者具有低密度。一些技術已嘗試解決這些缺點，包括利用鐵電電容器或薄膜晶體管的鐵電區域來產生非易失性存儲器存儲單元的鐵磁RAM(FRAM)。這些電容器和薄膜晶體管是使用被鐵電聚合物層分離的兩個平行導電板制造的。鐵電聚合物層本質上是薄層的絕緣膜，其包含可以被相反的電場重復地反向的永久性電極化。結果，鐵電電容器或薄膜晶體管具有兩個可能的非易失性狀態，其可以在沒有電力的情況下保持，對應于數字存儲器中的兩個二進制邏輯電平。鐵電電容器和薄膜晶體管常常由于聚偏二氟乙烯(PVDF-TrFE)共聚物的大的極化值及電和材料性質而將其用作鐵電材料。鐵電電容器和晶體管還提供了能量儲存功能。當跨極板施加電壓時，鐵電材料中的電場使電荷移位，并且因此儲存能量。所儲存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)，使得為了使電容器或晶體管可以累積的能量的總量最大化，膜的介電常數和擊穿電壓被最大化，并且膜的厚度被最小化。雖然鐵電電容器和薄膜晶體管裝置解決了用于存儲器存儲單元和能量儲存的許多重要特性，但要制造它們可能是昂貴的、耗時的且復雜的。例如，給定鐵電材料的處理通常從被溶解在溶液內、凝膠、半干形式或被熔化的鐵電前體材料開始。此前體材料經受退火步驟(例如，用諸如加熱板或烘箱之類的熱源進行的熱處理)以去除溶劑并形成結晶相，因此形成鐵電材料。此退火步驟是產生鐵電材料時的限速步驟。舉例來說，基于PVDF的聚合物在80℃至約170℃的溫度范圍內被退火達到直至約30分鐘的很多分鐘以形成期望的結晶相。因此，諸如卷到卷處理之類的高效處理系統的使用并不是用于制造鐵電材料的可行選項。將用來制造鐵電材料的當前退火步驟結合到卷到卷系統中不僅減慢過程的速度，而且明顯促進制造線的總體熱預算。
技術實現思路
已認識到與制造聚合鐵電材料相關聯的當前問題的解決方案。本解決方案在于退火步驟，其可以在幾微秒至幾秒而不是幾分鐘內執行，從而打開使用更高效的系統(例如，卷到卷過程或系統)來制造諸如鐵電電容器和薄膜晶體管之類的鐵電裝置的可能性。特別地，本解決方案在于使用脈沖電磁輻射作為退火步驟，其可以在幾微秒至幾秒內完成。在不希望被理論束縛的情況下，請相信脈沖電磁輻射創建使得能夠通過經由聚合鐵電前體材料的溶劑去除、燒結、固化和/或干燥來促進前體材料的結晶而將所述前體材料轉換成具有鐵電滯后性質的聚合鐵電材料的環境。特別地，可以使常規熱處理步驟(即，用外部熱源(例如，加熱板、烘箱、熔爐、加熱燈等)將前體材料加熱)最小化或完全避免。此外，不需要將諸如固化劑、交聯劑或電磁吸收劑之類的添加劑結合到前體材料中。簡單來說，可以在不使用傳統熱處理步驟的情況下且在不使用添加劑的情況下在幾微秒內將聚合鐵電前體材料(例如，鐵電有機聚合物，例如溶解在溶劑或組合物內的基于PVDF的聚合物)直接地轉換成具有鐵電滯后性質的聚合鐵電材料。本專利技術的過程可以用來減少用以制造諸如電容器和薄膜晶體管之類的鐵電裝置的總成本、復雜性以及時間。在本專利技術的一個方面，公開了一種用于產生鐵電材料的方法，所述方法可以包括(a)獲得鐵電前體材料，以及(b)使鐵電前體材料經受足以形成具有鐵電滯后性質的鐵電材料的脈沖電磁輻射。在某些方面，鐵電前體材料在步驟(b)之前先前尚未經受熱處理步驟(即，用外部熱源(例如，加熱板、烘箱、熔爐或加熱燈等)將前體材料加熱)超過55分鐘、50分鐘、40分鐘、30分鐘、20分鐘、10分鐘、5分鐘、3分鐘、2分鐘、1分鐘或者先前尚未經受熱處理步驟(即，0分鐘)。在優選方面，鐵電前體材料在步驟(b)之前尚未經受熱處理步驟超過30分鐘或者優選地超過10分鐘或5分鐘或者優選地尚未經受所述熱處理。此外，并且在某些實例中，未向前體材料添加添加劑，諸如固化劑、交聯劑或電磁吸收劑或其任何組合或其中的全部。此外，在某些實施例中，鐵電前體材料并不是在惰性條件下澆注的—相反地，其可以在正常氣氛條件下被放置到基板上且然后經受步驟(b)以形成鐵電材料。也就是說，可以在不使用任何先前的熱處理/退火步驟或者不使用任何添加劑或兩者的情況下將鐵電前體材料直接地處理成具有鐵電滯后性質的鐵電材料。特別地，可以在短到0.000001秒至小于60秒小于30秒、小于15秒、小于1秒、小于0.5秒、小于0.1秒、小于0.01秒、小于0.001秒、小于0.0001秒至小于0.00001秒的時間幀內執行步驟(b)。亦即，經由脈沖電磁輻射本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于產生聚合鐵電材料的方法，所述方法包括：(a)獲得聚合鐵電前體材料；以及(b)使聚合鐵電前體材料經受足以形成具有鐵電滯后性質的聚合鐵電材料的脈沖電磁輻射，其中，所述聚合鐵電前體材料在步驟(b)之前先前并未經受熱處理超過55分鐘。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.06.09 US 62/009,729;2015.02.05 US 62/112,2031.一種用于產生聚合鐵電材料的方法，所述方法包括：(a)獲得聚合鐵電前體材料；以及(b)使聚合鐵電前體材料經受足以形成具有鐵電滯后性質的聚合鐵電材料的脈沖電磁輻射，其中，所述聚合鐵電前體材料在步驟(b)之前先前并未經受熱處理超過55分鐘。2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述脈沖電磁輻射包括200nm至1500nm的波長。3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述脈沖長度為25μs至10,000μs。4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述脈沖速率是0.1Hz至1kHz。5.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟(b)中的所述聚合鐵電前體材料經受1至1000個脈沖。6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述脈沖電磁輻射的輻射能在1至100J/cm2的范圍內。7.根據權利要求1所述的方法，其中，在步驟(b)中的聚合鐵電前體材料中形成結晶相。8.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟(a)中的所述聚合鐵電前體材料未展示出鐵電滯后性質。9.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟(a)還包括向基板上設置聚合鐵電前體材料，使得所述聚合鐵電前體材料具有第一表面和相對的第二表面，其中，所述第二表面與所述基板表面接觸。10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述基板還包括電極，并且其中，所述聚合鐵電前體材料的第二表面的至少一部分與所述電極接觸。11.根據權利要求9所述的方法，還包括向具有鐵電滯后性質的聚合鐵電材料的第一表面的至少一部分上設置頂部電極。12.根據權利要求9所述的方法，其中，通過噴涂、超聲波噴涂、卷到卷涂布、噴墨式印刷、絲網印刷、滴涂、旋涂、浸涂、麥勒棒涂布、凹版涂布、狹縫式模具涂布、刮刀涂布、擠壓涂布、苯胺凸版印刷、凹版印刷、平版印刷、旋轉篩、平板篩、噴墨或激光消融在所述基板或所述電極上設置所述聚合鐵電前體材料。13.根據權利要求9所述的方法，其中，通過噴涂、超聲波噴涂、卷到卷涂布、噴墨式印刷、絲網印刷、滴涂、旋涂、浸涂、麥勒棒涂布、凹版涂布、狹縫式模具涂布、刮刀涂布或擠壓涂布在具有鐵電滯后性質的聚合鐵電材料的第一表面的至少一部分上設置頂部電極。14.根據權利要求9所述的方法，其中，在小于100m2/s內執行步驟(a)和(b)。15.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟(a)中的聚合鐵電前體材料采取液體形式、半干形式、凝膠形式或熔化形式。16.根據權利要求1所述的方法，其中，所述聚合鐵電前體材料在執行步驟(b)之前并未采取結晶或半結晶形式，并且其中，產生的具有鐵電滯后性質的聚合鐵電材料在執行步驟(b)之后采取結晶或半結晶形式。17.根據權利要求1所述的方法，其中，所述聚合鐵電前體材料在執行步驟(b)之前被溶解在溶劑中，并且其中，所述溶劑在步驟(b)中被基本上去除以產生具有鐵電滯后性質的聚合鐵電材料。18.根據權利要求1所述的方法，其中，產生的具有鐵電滯后性質的聚合鐵電材料是膜。19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述膜的厚度是10納米至10微米。20.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟(a)中的所述聚合鐵電前體材料包括鐵電聚合物。21.根據權利要求20所述的方法，其中，所述鐵電聚合物是基于聚偏二氟乙烯(PVDF)的聚合物，或者是包括基于PVDF的聚合物的混合物。22.根據權利要求21所述的方法，其中，所述基于PVDF的聚合物是均聚物、共聚物或三元共聚物或其混合物。23.根據權利要求21所述的方法，其中，所述基于PVDF的聚合物被與非基于PVDF的聚合物混合。24.根據權利要求23所述的方法，其中，非PVDF聚合物是聚(苯醚)(PPO)、聚苯乙烯(PS)或聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或其混合物。25.根據權利要求21所述的方法，其中，所述基于PVDF的聚合物是PVDF、聚(偏氟乙烯-四氟乙烯)(P(VDF-TrFE))或聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)(P(VDF-HFP))、聚(偏氟乙烯-三氟氯乙烯)(PVDF-CTFE)或聚(偏氟乙烯-氟氯乙烯)(PVDF-CFE)、聚(偏氟乙烯—氯二氟乙烯)(PVDF-CDFE)、聚(偏氟乙烯—三氟乙烯—氟氯乙烯)(PVDF-TrFE-CFE)、聚(偏氟乙烯—三氟乙烯—三氟氯乙烯)(PVDF-TrFE-CTFE)、聚(偏氟乙烯—三氟乙烯-六氟丙烯)(PVDF-TrFE-HFP)、聚(偏氟乙烯—三氟乙烯—氯二氟乙烯)(PVDF-TrFE-CDFE)、聚(偏氟乙烯—四氟乙烯—氟氯乙烯)(PVDF-TFE-CFE)、聚(偏氟乙烯—四氟乙烯—三氟氯乙烯)(PVDF-TFE-CTFE)、聚(偏氟乙烯—四氟乙烯—六氟丙烯)(PVDF-TFE-HFP)以及聚(偏氟乙烯—四氟乙烯—氯二氟乙烯)(PVDF-TFE-CDFE)或其聚合混合物。26.根據權利要求1所述的方法，其中，在卷到卷過程中執行步驟(a)和(b)。27.根據權利要求26所述的方法，還包括：(i)獲得從卷展開的基板；(ii)向基板的表面的至少一部分上設置背電極；(iii)向背電極的表面的至少一部分上設置聚合鐵電前體材料，使得鐵電前體材料包括第一表面和相對第二表面，所述第二表面與背電極接觸；(iv)使第一表面的至少一部分經受足以形成具有鐵電滯后性質的聚合鐵電材料的脈沖電磁輻射，其中，所述聚合鐵電前體材料在步驟(iv)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬哈茂德·N·阿爾瑪德豪恩，伊哈卜·N·奧登，穆赫德·阿德南·坎，
申請(專利權)人：沙特基礎全球技術有限公司，
類型：發明
國別省市：荷蘭;NL