有机功能薄膜的制备及基于SPM的表征与加工

论文摘要

随着纳米科技的发展,电子器件也朝着“更小、更快、更冷”的方向迈进,而基于传统无机半导体材料的制备工艺已逼近其物理极限,面临严峻地挑战,寻找新的材料和技术已刻不容缓。选择有机功能材料来发展纳米电子器件或分子纳米器件则是一个很好的具有很大潜能的解决方案,因此,目前国际上有机功能材料的研究十分活跃,进展很快,各国纷纷将其列入高技术领域的新型材料发展规划中,在这一领域内投人大批人力、财力展开激烈的竞争。材料科学的研究内容主要包括材料的制备、表征、性能测试与分析以及应用等几个方面。对于有机功能薄膜,本论文借助具有广泛应用前景的三种有代表性有机材料,针对上述几项内容进行了系统性的研究,并突出各自的侧重点:首先,着重研究了任何制备大面积高质量的聚苯乙烯胶体晶体,并研究了其在纳米结构制备和SPM纳米计量方面的应用;其次,制备均匀纳米晶粒的金属-有机电双稳态薄膜（M-TCNQ）,并着重研究了基于该薄膜的STM纳米加工技术;最后,选择有机铁电聚合物P（VDF-TrFE）薄膜为对象,着重研究了其铁电性能上的电学疲劳现象及其对实际应用的影响。主要成果为:·考虑了实用性,对比了三种简单工艺的自组装方法来制备有序纳米结构的聚苯乙烯胶体晶体,可以根据不同的实际需求来选择相应的方法。·对垂直沉积法制备大面积高质量胶体晶体进行了深入研究,探讨了各实验参数对胶体晶体成膜质量的影响,详细讨论了垂直沉积法的微观成膜机理及胶体晶体量化表征方法,为制备大面积有序无缺陷的胶体晶体提供成膜工艺参考和理论指导。·以胶体晶体为掩模,成功制备出了有序的金属Ag纳米点阵和金属Ag纳米圆环的阵列,这种二维有序阵列可用于构建纳米电子器件。·创新性地将胶体晶体应用于SPM纳米计量方面:成功制备出了栅状胶体晶体,并通过物理模型对成膜机理进行了解释。这种栅状胶体晶体可用作新型的可批量制备的纳米级三维标样,用于校准SPM在X、Y、Z三个方向上的尺度精度和放大倍率。·利用分散胶体球和密排胶体晶体与AFM针尖的耦合关系,创建了数学模型,成功地推算出了AFM针尖的斜率和曲率半径,为进一步准确地校正和还原真实的AFM图像奠定了基础。·利用STM对Ag-TCNQ金属-有机电双稳态薄膜进行纳米加工,成功地加工出了长约450nm的Ag-TCNQ纳米导线和2×3的纳米信息点阵,实现了基于STM的纳米导线构建和超高密度数据存储的功能,论述了各加工条件的影响,为基于STM的纳米加工技术提供了工艺和理论参考。·开拓性地研究了有机铁电聚合物P（VDF-TrFE）薄膜的电学疲劳特性:研究了结晶度对铁电聚合物薄膜的宏观铁电疲劳特性的影响;结合AFM观测了铁电聚合物薄膜的微观铁电疲劳特性;初步探讨了使已疲劳铁电聚合物的铁电特性得以恢复的可行措施;讨论了铁电聚合物产生铁电疲劳失效的微观机理。可为相关器件的设计提供指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 有机功能材料的种类
• 1.1.1 有机半导体
• 1.1.2 有机导体和超导体
• 1.1.3 导电聚合物
• 1.1.4 有机铁磁体和有机铁电体
• 1.1.5 有机非线性光学材料
• 1.2 有机功能薄膜的制备技术
• 1.2.1 Langmuir-Blodgett（LB）技术
• 1.2.2 有机分子束外延（OMBE）
• 1.2.3 自组装技术
• 1.3 有机功能薄膜器件
• 1.3.1 有机发光二极管（OLED）
• 1.3.2 有机场效应晶体管（OFET）
• 1.3.3 分子电子器件
• 1.4 SPM在纳米/分子电子学中的应用
• 1.4.1 原子分子的操纵
• 1.4.2 基于SPM的纳米加工
• 1.4.3 基于SPM技术的纳米信息存储
• 1.4.4 构造新的功能分子和分子器件
• 参考文献
• 第二章 胶体晶体的制备方法
• 2.1 引言
• 2.2 单分散聚苯乙烯微球的制备
• 2.3 旋转辅助法制备胶体晶体
• 2.4 水平双基片法制备胶体晶体
• 2.5 垂直沉积法
• 2.6 三种方法的比较
• 2.7 小结
• 参考文献
• 第三章 垂直沉积法制备胶体晶体的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 基底的影响
• 3.3.2 浓度的影响
• 3.3.3 温度的影响
• 3.3.4 悬浮液pH值的影响
• 3.3.5 表面活性剂的影响
• 3.4 讨论
• 3.4.1 垂直沉积法的成膜机理
• 3.4.2 胶体晶体的光学性质
• 3.4.3 胶体晶体的排列方式
• 3.4.4 胶体晶体的量化分析
• 3.4.5 静电力对胶体晶体成膜的影响
• 3.4.6 改善胶体晶体成膜质量的可行方法
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 胶体球在SPM纳米计量上的应用
• 4.1 Ag点阵结构和Ag环阵列的构建
• 4.1.1 引言
• 4.1.2 实验部分
• 4.1.3 结果与讨论
• 4.2 制备栅状胶体晶体用于SPM的三维校准
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 实验部分
• 4.2.3 结果与讨论
• 4.3 基于胶体球无损探测AFM针尖形状的方法
• 4.3.1 引言
• 4.3.2 建立数学模型
• 4.3.3 实验部分
• 4.3.4 结果与讨论
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 有机电双稳薄膜的SPM加工
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 Ag-TCNQ薄膜的表面形貌
• 5.3.2 针尖样品间距的影响
• 5.3.3 脉冲幅度的影响
• 5.3.4 脉冲宽度与次数的影响
• 5.3.5 脉冲极性的影响
• 5.3.6 制备Ag-TCNQ纳米导线和纳米信息点阵
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 有机铁电聚合物薄膜电学疲劳的微观观测
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法
• 6.2.1 有机铁电聚合物薄膜的制备和表征
• 6.2.2 薄膜铁电疲劳的宏观测定
• 6.2.3 薄膜铁电疲劳的微观测定
• 6.3 实验结果
• 6.3.1 退火温度对结晶度的影响
• 6.3.2 结晶度对聚合物薄膜形貌的影响
• 6.3.3 结晶度对薄膜宏观铁电疲劳的影响
• 6.3.4 有机薄膜铁电疲劳的微观观测
• 6.3.5 有机铁电聚合物薄膜疲劳恢复的研究
• 6.4 讨论
• 6.4.1 结晶度对聚合物铁电特性的影响
• 6.4.2 非晶态和晶态矫顽场的比较
• 6.4.3 结晶度对铁电聚合物宏观疲劳现象的研究
• 6.4.4 铁电聚合物微观铁电疲劳的研究
• 6.4.5 关于铁电聚合物疲劳恢复的研究
• 6.5 小结
• 参考文献
• 第七章 总结
• 致谢
• 学术成果