使用脉冲电磁辐射来处理薄膜有机铁电材料制造技术

公开了一种用于产生聚合铁电材料的方法。所述方法可以包括(a)获得聚合铁电前体材料，以及(b)使聚合铁电前体材料经受足以形成具有铁电滞后性质的聚合铁电材料的脉冲电磁辐射，其中，所述聚合铁电前体材料在步骤(b)之前先前并未经受热处理超过55分钟。

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.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年6月9日提交的题为“PROCESSINGOFTHINFILMORGANICFERROELECTRICMATERIALSUSINGPULSEDELECTROMAGNETICRADIATION”的美国临时申请号62/009,729和2015年2月5日提交的题为“PROCESSINGOFTHINFILMORGANICFERROELECTRICMATERIALSUSINGPULSEDELECTROMAGNETICRADIATION”的美国临时申请号62/112,203的权益。所参考专利申请的全部内容被通过引用结合到本申请中。
本公开一般地涉及可以在非易失性存储器和能量储存应用中使用的聚合铁电材料的处理。过程包括使用脉冲电磁辐射技术将聚合铁电前体材料转换成具有铁电滞后性质的铁电材料。用本专利技术的过程可以使铁电前体材料的传统热处理最小化且甚至避免。此外，过程允许实现低成本卷到卷(R2R)技术来制造本专利技术的聚合铁电材料。
技术介绍
存储器系统在许多电子产品(诸如个人计算机系统、基于嵌入式处理器的系统、视频图像处理电路、便携式电话等)中被用于存储数据、程序代码和/或其它信息。用于电子装置中的存储器存储单元的重要特性是低成本、非易失性、高密度、可写性、低功率以及高速度。常规存储器解决方案包括只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、电可编程存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)。ROM是相对低成本的，但是不能被重写。PROM可以被电编程，但是具有仅单个写循环。EPROM具有相对于ROM和PROM读循环而言快速的读循环，但是具有相对长的擦除时间和仅在几个重复读/写循环内的可靠性。EEPROM(或“闪存”)是价格低廉的，并且具有低功耗，但是与DRAM或SRAM相比具有长的写循环(m)和低的相对速度。闪存还具有有限数目的读/写循环，导致低的长期可靠性。ROM、PROM、EPROM和EEPROM全部是非易失性的，意味着如果给存储器的供电被中断，则存储器将保持存储在存储器存储单元中的信息。DRAM将电荷存储在晶体管栅极上，其充当电容器，但是必须每几毫秒被电刷新，由于要求单独的电路以在电容器放电之前“刷新”存储器内容而使系统设计复杂化。SRAM不需要被刷新且相对于DRAM而言是快速的，但相对于DRAM而言具有较低密度且更加昂贵。SRAM和DRAM两者是易失性的，意味着如果给存储器的供电被中断，则存储器将失去存储在存储器存储单元中的信息。因此，现有技术是非易失性的，但并不是可随机访问的且具有低密度、高成本以及允许以电路功能的高可靠性进行多次写入的有限能力，或者其是易失性的且使系统设计复杂化或者具有低密度。一些技术已尝试解决这些缺点，包括利用铁电电容器或薄膜晶体管的铁电区域来产生非易失性存储器存储单元的铁磁RAM(FRAM)。这些电容器和薄膜晶体管是使用被铁电聚合物层分离的两个平行导电板制造的。铁电聚合物层本质上是薄层的绝缘膜，其包含可以被相反的电场重复地反向的永久性电极化。结果，铁电电容器或薄膜晶体管具有两个可能的非易失性状态，其可以在没有电力的情况下保持，对应于数字存储器中的两个二进制逻辑电平。铁电电容器和薄膜晶体管常常由于聚偏二氟乙烯(PVDF-TrFE)共聚物的大的极化值及电和材料性质而将其用作铁电材料。铁电电容器和晶体管还提供了能量储存功能。当跨极板施加电压时，铁电材料中的电场使电荷移位，并且因此储存能量。所储存的能量的量取决于绝缘材料的介电常数和膜的尺寸(总面积和厚度)，使得为了使电容器或晶体管可以累积的能量的总量最大化，膜的介电常数和击穿电压被最大化，并且膜的厚度被最小化。虽然铁电电容器和薄膜晶体管装置解决了用于存储器存储单元和能量储存的许多重要特性，但要制造它们可能是昂贵的、耗时的且复杂的。例如，给定铁电材料的处理通常从被溶解在溶液内、凝胶、半干形式或被熔化的铁电前体材料开始。此前体材料经受退火步骤(例如，用诸如加热板或烘箱之类的热源进行的热处理)以去除溶剂并形成结晶相，因此形成铁电材料。此退火步骤是产生铁电材料时的限速步骤。举例来说，基于PVDF的聚合物在80℃至约170℃的温度范围内被退火达到直至约30分钟的很多分钟以形成期望的结晶相。因此，诸如卷到卷处理之类的高效处理系统的使用并不是用于制造铁电材料的可行选项。将用来制造铁电材料的当前退火步骤结合到卷到卷系统中不仅减慢过程的速度，而且明显促进制造线的总体热预算。
技术实现思路
已认识到与制造聚合铁电材料相关联的当前问题的解决方案。本解决方案在于退火步骤，其可以在几微秒至几秒而不是几分钟内执行，从而打开使用更高效的系统(例如，卷到卷过程或系统)来制造诸如铁电电容器和薄膜晶体管之类的铁电装置的可能性。特别地，本解决方案在于使用脉冲电磁辐射作为退火步骤，其可以在几微秒至几秒内完成。在不希望被理论束缚的情况下，请相信脉冲电磁辐射创建使得能够通过经由聚合铁电前体材料的溶剂去除、烧结、固化和/或干燥来促进前体材料的结晶而将所述前体材料转换成具有铁电滞后性质的聚合铁电材料的环境。特别地，可以使常规热处理步骤(即，用外部热源(例如，加热板、烘箱、熔炉、加热灯等)将前体材料加热)最小化或完全避免。此外，不需要将诸如固化剂、交联剂或电磁吸收剂之类的添加剂结合到前体材料中。简单来说，可以在不使用传统热处理步骤的情况下且在不使用添加剂的情况下在几微秒内将聚合铁电前体材料(例如，铁电有机聚合物，例如溶解在溶剂或组合物内的基于PVDF的聚合物)直接地转换成具有铁电滞后性质的聚合铁电材料。本专利技术的过程可以用来减少用以制造诸如电容器和薄膜晶体管之类的铁电装置的总成本、复杂性以及时间。在本专利技术的一个方面，公开了一种用于产生铁电材料的方法，所述方法可以包括(a)获得铁电前体材料，以及(b)使铁电前体材料经受足以形成具有铁电滞后性质的铁电材料的脉冲电磁辐射。在某些方面，铁电前体材料在步骤(b)之前先前尚未经受热处理步骤(即，用外部热源(例如，加热板、烘箱、熔炉或加热灯等)将前体材料加热)超过55分钟、50分钟、40分钟、30分钟、20分钟、10分钟、5分钟、3分钟、2分钟、1分钟或者先前尚未经受热处理步骤(即，0分钟)。在优选方面，铁电前体材料在步骤(b)之前尚未经受热处理步骤超过30分钟或者优选地超过10分钟或5分钟或者优选地尚未经受所述热处理。此外，并且在某些实例中，未向前体材料添加添加剂，诸如固化剂、交联剂或电磁吸收剂或其任何组合或其中的全部。此外，在某些实施例中，铁电前体材料并不是在惰性条件下浇注的—相反地，其可以在正常气氛条件下被放置到基板上且然后经受步骤(b)以形成铁电材料。也就是说，可以在不使用任何先前的热处理/退火步骤或者不使用任何添加剂或两者的情况下将铁电前体材料直接地处理成具有铁电滞后性质的铁电材料。特别地，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秒的时间帧内执行步骤(b)。亦即，经由脉冲电磁辐射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生聚合铁电材料的方法，所述方法包括：(a)获得聚合铁电前体材料；以及(b)使聚合铁电前体材料经受足以形成具有铁电滞后性质的聚合铁电材料的脉冲电磁辐射，其中，所述聚合铁电前体材料在步骤(b)之前先前并未经受热处理超过55分钟。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.09 US 62/009,729;2015.02.05 US 62/112,2031.一种用于产生聚合铁电材料的方法，所述方法包括：(a)获得聚合铁电前体材料；以及(b)使聚合铁电前体材料经受足以形成具有铁电滞后性质的聚合铁电材料的脉冲电磁辐射，其中，所述聚合铁电前体材料在步骤(b)之前先前并未经受热处理超过55分钟。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述脉冲电磁辐射包括200nm至1500nm的波长。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述脉冲长度为25μs至10,000μs。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述脉冲速率是0.1Hz至1kHz。5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)中的所述聚合铁电前体材料经受1至1000个脉冲。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述脉冲电磁辐射的辐射能在1至100J/cm2的范围内。7.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(b)中的聚合铁电前体材料中形成结晶相。8.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)中的所述聚合铁电前体材料未展示出铁电滞后性质。9.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)还包括向基板上设置聚合铁电前体材料，使得所述聚合铁电前体材料具有第一表面和相对的第二表面，其中，所述第二表面与所述基板表面接触。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述基板还包括电极，并且其中，所述聚合铁电前体材料的第二表面的至少一部分与所述电极接触。11.根据权利要求9所述的方法，还包括向具有铁电滞后性质的聚合铁电材料的第一表面的至少一部分上设置顶部电极。12.根据权利要求9所述的方法，其中，通过喷涂、超声波喷涂、卷到卷涂布、喷墨式印刷、丝网印刷、滴涂、旋涂、浸涂、麦勒棒涂布、凹版涂布、狭缝式模具涂布、刮刀涂布、挤压涂布、苯胺凸版印刷、凹版印刷、平版印刷、旋转筛、平板筛、喷墨或激光消融在所述基板或所述电极上设置所述聚合铁电前体材料。13.根据权利要求9所述的方法，其中，通过喷涂、超声波喷涂、卷到卷涂布、喷墨式印刷、丝网印刷、滴涂、旋涂、浸涂、麦勒棒涂布、凹版涂布、狭缝式模具涂布、刮刀涂布或挤压涂布在具有铁电滞后性质的聚合铁电材料的第一表面的至少一部分上设置顶部电极。14.根据权利要求9所述的方法，其中，在小于100m2/s内执行步骤(a)和(b)。15.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)中的聚合铁电前体材料采取液体形式、半干形式、凝胶形式或熔化形式。16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述聚合铁电前体材料在执行步骤(b)之前并未采取结晶或半结晶形式，并且其中，产生的具有铁电滞后性质的聚合铁电材料在执行步骤(b)之后采取结晶或半结晶形式。17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述聚合铁电前体材料在执行步骤(b)之前被溶解在溶剂中，并且其中，所述溶剂在步骤(b)中被基本上去除以产生具有铁电滞后性质的聚合铁电材料。18.根据权利要求1所述的方法，其中，产生的具有铁电滞后性质的聚合铁电材料是膜。19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述膜的厚度是10纳米至10微米。20.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)中的所述聚合铁电前体材料包括铁电聚合物。21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述铁电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.根据权利要求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.根据权利要求21所述的方法，其中，所述基于PVDF的聚合物被与非基于PVDF的聚合物混合。24.根据权利要求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.根据权利要求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.根据权利要求1所述的方法，其中，在卷到卷过程中执行步骤(a)和(b)。27.根据权利要求26所述的方法，还包括：(i)获得从卷展开的基板；(ii)向基板的表面的至少一部分上设置背电极；(iii)向背电极的表面的至少一部分上设置聚合铁电前体材料，使得铁电前体材料包括第一表面和相对第二表面，所述第二表面与背电极接触；(iv)使第一表面的至少一部分经受足以形成具有铁电滞后性质的聚合铁电材料的脉冲电磁辐射，其中，所述聚合铁电前体材料在步骤(iv)...

【专利技术属性】
技术研发人员：马哈茂德·N·阿尔玛德豪恩，伊哈卜·N·奥登，穆赫德·阿德南·坎，
申请(专利权)人：沙特基础全球技术有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL