一种基于平板电容器模型的柔性铁电纳米薄膜极化方法

本发明属于柔性铁电纳米薄膜极化，具体涉及柔性铁电/半导体复合纳米纤维薄膜极化方法。

背景技术：

1、随着信息技术的不断发展进步，信息化已经成为推动工业现代化、农业现代化、国防现代化的重要助力。光信号是信息化重要的载体之一，光电探测器作为光信号与电信号之间的转化桥梁，其在光通信、激光制导、环境检测等军民领域发挥着重要的作用。光电探测的作用机制基于入射光的光子能量超过半导体带隙时候，半导体吸收光子并激发出光生电子-空穴对，从而在电场的作用下产生光响应电流。西北工业大学柔性电子前沿科学中心首席科学家黄维认为柔性电子技术能够突破经典硅基光电子学的本征局限，为后摩尔时代的器件设计集成、能源革命等技术变革提供创新引领。

2、随着技术的不断发展，对光电探测器的性能如响应速度和探测度等提出更严格要求。目前，一维纳米纤维大的长径比有利于电荷的传输，良好的机械柔性将满足柔性电子器件的构筑。

3、自铁电材料被发现以来，其因独特的回滞现象受到研究者的广泛关注。铁电材料在信息存储、能量采集、光电探测等领域展现出巨大的潜力。铁电材料根据结构组成分为有机铁电材料和无机铁电材料。相较于半晶体结构的有机铁电聚合物，无机铁电材料晶体通常具有更高的结晶性和更强的剩余极化强度。由于无机铁电材料的居里温度要远高于有机聚合物，因而其展现出更优良的稳定性，由此在能量采集和信息存储等方面具有更高的适配性。钙钛矿氧化物是典型的铁电材料，由于晶体内部自发形成低能态的非对称中心结构的畸变趋势，正负电荷中心不再重合，即材料展现出自发极化。自发极化方向相同的晶格区域会进一步构成铁电畴。但是，通常情况下无机铁电材料中的铁电畴的随机取向，铁电材料的自极化通常很弱。通常需要对铁电材料施加一定强度的外加电场，铁电畴在外场作用下实现翻转，铁电取向有度提高，剩余极化强度增强。传统工艺中将电极黏附于铁电材料两个表面，通过施加外部电场，铁电材料显示出一定的剩余极化。kim等人使用磁控溅射在batio3纳米颗粒膜的两侧制备用于极化的金电极。ding等人使用铝箔粘附在batio3纳米纤维膜的两侧，这实现了极化处理。然而，这种极化设计不仅会破坏纳米纤维膜宏观结构，且不利于光电子器件的测试。

4、基于此，本发明提出利用平板电容器模型，在引入稳定可控外加电场的同时，最大程度保护铁电半导体纤维薄膜宏观结构不被破坏，使极化的铁电半导体纳米纤维薄膜极化后可直接用于光电探测器器件的构筑。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种简便且高效的铁电薄膜极化方法。

2、本发明提供的柔性铁电纳米薄膜极化方法，是基于平板电容器模型的，具体步骤如下：

3、(1)柔性铁电纳米薄膜的制备与剪裁；

4、具体利用静电纺丝技术制备得到无机铁电纳米纤维集成的光电半导体纳米纤维薄膜，即铁电/半导体复合纳米纤维薄膜；

5、根据光电器件设计需求，机械剪裁铁电/半导体复合纳米纤维薄膜为规定形状和尺寸。

6、(2)平板电容器模型的极化装置的构建；

7、(2.1)根据光电探测器件设计需求，选取与铁电/半导体复合纳米纤维薄膜尺寸比例匹配的以，金属薄板作为平板电容器极化装置的极板；采用非导电材料作为金属极板载体，以保持极板不形变；极板的尺寸与铁电/半导体复合纳米纤维薄膜尺寸比例匹配，正负极两端极板间的间距为：5-30cm；两个极板等面积；

8、(2.2)利用静电纺丝仪的正高压端和负高压端作为平板电容器两边极板电源，采用直流电；正高压端电压范围：8-20kv,负高压端电压范围：0-(-5)kv；

9、(2.3)以环境恒温恒湿环境中的空气作为介电材料；

10、(2.4)平板电容器模型极化装置中，通过调控两极板间距离、调控极化时间，以调控铁电/半导体复合纳米纤维薄膜极化程度和铁电畴取向调控；遵循物理的数学关系式，如下：

11、

12、其中，d0是铁电纳米纤维薄膜厚度，d是两个金属极板之间距离，为纳米纤维表面实际作用电压值，为作用于两个金属极板的正高压与负高压之间电压差。

13、(3)柔性铁电纳米薄膜的极化处理；

14、利用步骤(2)构建的平板电容器模型的极化装置，对步骤(1)制备的铁电/半导体复合纳米纤维薄膜进行极化处理具体流程为：

15、(3.1)将平板电容器模型的极化装置需要完全置于静电纺丝内仓中，以保证极化处理操作安全性；

16、(3.2)将铁电/半导体复合纳米纤维薄膜粘附在负高压端的金属极板中间位置，以便纤维薄膜受到均匀电场的调控；

17、(3.3)采用干燥器调控静电纺丝内舱的湿度，恒定范围为：30％-42％；调控温度，恒定范围：20℃-30℃；

18、(3.4)调控两端金属极板间的间距，距离范围：5-30cm；

19、(3.5)利用静电纺丝仪的正高压端和负高压端作为平板电容器两边极板电源；正高压端电压范围：8-20kv,负高压端电压范围：0-(-5)kv；缓慢调控电压升至所需数值；采用直流电源模式，除去边缘效应，使两个面积大小相等金属极板之间形成稳定且恒定电场；

20、(3.6)控制极化时间为：1-48h。

21、(4)柔性铁电纳米薄膜的剥离；极化完成后，采用机械剥离的方式将纳米纤维薄膜缓慢地从极板上剥离，以最大限度保证纤维薄膜宏观结构不被破坏。

22、进一步地：

23、步骤(1)中，所述铁电/半导体复合纳米纤维薄膜，其种类有srtio3/mos2、batio3/zno等；

24、步骤(1)中，所述剪裁的铁电/半导体复合纳米纤维薄膜规格为：长宽比为：1：1-5：1；

25、步骤(2)中，所述金属导体极板材料为铜箔或铝箔；非导体载体为硬性纸板等；

26、步骤(3)中，粘附纳米纤维薄膜用材质包括双面胶等。

27、本发明中，铁电半导体复合纳米纤维薄膜与金属极板长度的比例范围：1：20-1：10；宽度的比例范围：1：20-1：10。

28、有益效果

29、(1)本发明提出利用平板电容器模型构建铁电薄膜极化装置设计，该装置的物理原理清晰，装置设计构造简单，易于操作；

30、(2)本发明采用静电纺丝仪的内仓作为恒温恒湿环境，确保仓内空气作为介电材料均匀恒定；采用静电纺丝仪的正负高压端作为两个极板电源，程序控制高电压输出，操作安全；铁电薄膜中铁电畴需外电场强度达到一定强度后才能实现翻转；采用静电纺丝仪的正负端的高电压输出，能够产生强度协调可控且稳定的电场；

31、(3)纳米纤维薄膜极化完成后，采用机械剥离方式能够确保柔性纤维薄膜宏观物理结构不被破坏，从而方便后续光电探测器件设计。

技术特征：

1.一种基于平板电容器模型的柔性铁电纳米薄膜极化方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的柔性铁电纳米薄膜极化方法，其特征在于，步骤(1)中所述铁电/半导体复合纳米纤维薄膜，材料为srtio3/mos2或batio3/zno。

3.根据权利要求1所述的柔性铁电纳米薄膜极化方法，其特征在于，步骤(1)中所述剪裁的铁电/半导体复合纳米纤维薄膜的长宽比为：1：1-5：1。

4.根据权利要求1所述的柔性铁电纳米薄膜极化方法，其特征在于，步骤(2)中所述金属导体极板材料为铜箔或铝箔；非导体载体为硬性纸板。

5.根据权利要求1所述的柔性铁电纳米薄膜极化方法，其特征在于，步骤(3)中所述粘附纳米纤维薄膜用材质双面胶。

6.根据权利要求1所述的柔性铁电纳米薄膜极化方法，其特征在于，所述铁电半导体复合纳米纤维薄膜与金属极板长度的比例：1：20-1：10；宽度的比例：1：20-1：10。

技术总结
本发明属于柔性铁电纳米薄膜极化技术领域，具体为一种基于平板电容器模型的柔性铁电纳米薄膜极化方法。本发明包括柔性铁电纳米薄膜的制备与剪裁；平板电容器模型的极化装置的构建；柔性铁电纳米薄膜极化处理与剥离。本发明采用静电纺丝仪的内仓作为恒温恒湿环境，确保仓内空气作为介电材料均匀恒定；采用静电纺丝仪的正负高压端作为极化装置的两个极板电源，程序控制高电压输出；铁电薄膜中铁电畴需外电场强度达到一定强度后才能实现翻转；采用静电纺丝仪的正负端的高电压输出，能够产生强度协调可控且稳定的电场。本发明可实现柔性铁电薄膜可控极化，操作安全、方便。

技术研发人员：方晓生,苏莉,严婷婷,刘欣亚,曹发
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13