Imprinting in P(VDF-TrFE) - interplay between ferroelectric polarization and relaxational polarization

Abstract

This thesis deals with imprinting in ferroelectric P(VDF-TrFE)70/30 mol % thin films (50 nm to 2 μm). Material properties that change due to imprinting are explored: the ferroelectric polarization switching time and the coercive field increase, as well as the permittivity and the remanent polarization to decrease. These effects of imprinting evolve on a logarithmic time scale. It is shown that imprinting evolves independent of the film thickness. An increase in the polymers crystallinity decelerates imprint- ing. A model (New Imprint Model) is proposed to explain the effects of imprinting. By introducing an extended Weiss Mean Field approximation the effects of imprint- ing are calculated. The spontaneous or field induced build-up of the spontaneous or remanent ferroelectric polarization across the Curie transition range are monitored. The imprinting current while heating is separated from the pyroelectric current and calculated based on a distribution of temperature dependent dipole relaxation times. In the last chapter an experimental method is presented, which allows simultaneous in-situ infrared (IR) and electrical characterization.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit imprinting im ferroelektrischen Polymer P(VDF- TrFE) 70/30 mol %. Experimentell untersucht werden Dünnschichtfilme (50 nm bis 2 μm) . Für Imprinteffekte (Zunahme des Koerzitivfeldes und der ferroelektrischen Umschaltzeit sowie Abnahme der remanenten Polarisation und der Permittivität) wird eine charakteristische Abhängigkeit(∼ log(tw)) von der Verweildauer (tw) in einem ferroelektrischen Polarisationszustand beobachtet. Es wird gezeigt, dass Im- printeffekte unabhängig von der Schichtdicke (> 100 nm) sind und imprint durch eine Erhöhung der Polymer-Kristallinität weitgehend verhindert werden kann. Ein Imprintmodell (New Imprint Model) wird entwickelt. Auf dessen Grundlage wer- den mit einem "Weiss-Mean-Field" Ansatz die Imprinteffekte berechnet. Es werden Temperatur-Polarisationshysteresen für gepolte und ungepolte Proben aufgenom- men. Es wird gezeigt, dass der beim Aufheizen fließende Kurzschlussstrom aus Im- printstrom und pyroelektischem Strom zusammengesetzt ist. Eine Berechnung des Imprintstroms gelingt durch die Annahme einer Verteilung von temperaturabhän- gigen Dipolrelaxationszeiten. Im letzten Kapitel wird eine experimentelle Methode vorgestellt um simultan elektrische und IR spektroskopische Messungen in Dünn- schichtfilmen durchzuführen.