Mechanisches Polen von ferroelektrischen P[VDF-TrFE]-Dünnschichten

Abstract

In dieser Arbeit wird die mechanische dreidimensionale Ausrichtung der lateralen (in-plane) und der vertikalen (out-of-plane) ferroelektrischen Polarisation („mechanisches Polen“) in Polyvinylidenfluorid-Trifluoroethylen (P[VDF-TrFE])-Schichten auf Graphit mittels Piezokraftmikroskopie (PFM) eingeführt. Domänen mit definierter Form und Größen zwischen 50 nm und einigen m konnten durch eine Kombination aus elektrischer Vorpolung und lokaler mechanischer Kraftausübung mit einer Messspitze erzeugt werden. Die aus der Polarisationsausrichtung resultierende starke Erhöhung der vertikalen und lateralen piezoelektrischen Antwort, die Erzeugung komplexer Domänenstrukturen und der zugrundeliegende Effekt des ferroelastischen Schaltens werden besprochen. Weiterhin werden Einflussfaktoren auf den Polungsprozess und Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt. Ergänzt wird die Arbeit durch Röntgenbeugungs- und Rasterelektronenmikroskopie-Messungen sowie einen Anhang mit experimentellen Details.

In this work, the mechanical three-dimensional alignment of the in-plane and out-of-plane ferroelectric polarization (“mechanical poling”) in poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) (P[VDF-TrFE]) films on graphite with a piezoresponse force microscope (PFM) is introduced. Domains with well-defined shape and sizes of 50 nm to several microns have been written by a combined procedure of vertical electrical poling and subsequent local mechanical force application with a force microscopy tip. The strong increase of the piezoresponse resulting from the polarization alignment as well as the generation of complex domain structures and the underlying mechanism of ferroelastic switching are presented and discussed. Further, parameters of influence for the poling process and ideas for applications are described. Data are complemented with x-ray diffraction and scanning electron microscopy measurements. An appendix provides comprehensive experimental details.