该研究的主要作者包括Jiahao Wu、Yu Xu、Shenglan Hao、Guangdi Feng、Qiuxiang Zhu、Chungang Duan、Junhao Chu和Bobo Tian。他们分别来自华东师范大学教育部极化材料与器件重点实验室、上海脑启智智能材料与器件中心、华东师范大学重庆研究院精密光学重庆市重点实验室，以及山西大学极端光学协同创新中心。该研究于2025年6月16日发表在《Physical Review B》期刊上，标题为《Improvement of Endurance and Compatibility of Organic Ferroelectric Polymer Through Inserting Al₂O₃ Interfacial Layer》。

学术背景

有机铁电聚合物（organic ferroelectric polymer）因其柔性、易加工和生物兼容性等特点，在非易失性存储器、柔性电子器件和传感器等领域具有广泛应用前景。其中，聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物（P(VDF-TrFE)）是最具代表性的有机铁电材料之一。然而，与无机铁电材料（如锆钛酸铅Pb(Zr₁₋ₓTiₓ)O₃，PZT）相比，P(VDF-TrFE)的耐久性（endurance）较差，通常仅能承受约10⁷次极化翻转循环，远低于PZT的10¹²次。这种局限性主要源于电荷注入（charge injection）引发的高能电子诱导脱氟化氢反应（dehydrofluorination），导致HF气体生成和电极分层，最终造成铁电极化永久性退化。因此，如何抑制电荷注入成为提升P(VDF-TrFE)耐久性的关键挑战。

研究流程

1. 实验设计
   研究团队提出在P(VDF-TrFE)薄膜与电极之间插入宽带隙（large-band-gap）的Al₂O₃界面层，形成Pt/Al₂O₃/P(VDF-TrFE)/Al₂O₃/Al的夹心结构。对照组为传统的Pt/P(VDF-TrFE)/Al电容器。所有电容器电极面积为300 μm × 500 μm，P(VDF-TrFE)薄膜厚度为150 nm，Al₂O₃层厚度为10 nm。

2. 材料制备与表征

   • 薄膜沉积：通过溶液旋涂法（spin-coating）制备P(VDF-TrFE)薄膜，Al₂O₃层采用原子层沉积（ALD）技术生长，以精确控制厚度和均匀性。
     
   • 电学测试：采用三角波电压（23 V/27.5 V，频率10 Hz–100 kHz）测量极化-电压（P-V）回线，评估剩余极化强度（Pr）和疲劳特性。
     

3. 疲劳机制分析

   • 电荷注入抑制：通过能带对齐（band alignment）理论（图1）证明Al₂O₃层可阻挡高能电子隧穿，减少P(VDF-TrFE)链的脱氟化氢反应。
     
   • 耐久性测试：对两种电容器施加100 kHz的高频极化脉冲，测试10¹¹次循环后的Pr衰减情况。
     

4. 兼容性验证

   • 电极兼容性：在P(VDF-TrFE)上溅射Pt、Cr、Au等金属电极，对比有无Al₂O₃层的漏电流和铁电开关特性。
     
   • 晶体管集成：以Al₂O₃/P(VDF-TrFE)/Al₂O₃为背栅介质，制备ZnO基铁电场效应晶体管（FeFET），测试其开关比（on/off ratio）和保留特性。
     

主要结果

1. 耐久性提升

   • 传统Pt/P(VDF-TrFE)/Al电容器在10⁶次循环后Pr下降60%，而夹心结构在10⁸次循环后仅下降43.7%，且可通过低频电压恢复极化。最终，夹心结构展示了10¹¹次循环的耐久性（图2j）。
     
   • 光学显微镜观察（图3）显示，传统电容器在疲劳后电极表面出现HF气泡，而夹心结构无明显损伤。
     

2. 兼容性增强

   • Al₂O₃层有效阻挡溅射工艺的高能离子损伤，使P(VDF-TrFE)与多种金属电极（Pt、Cr、Au）兼容，漏电流降低至nA级别。
     
   • ZnO基FeFET表现出稳定的存储窗口（约12 V）和10⁴的开关比，且在10¹¹次循环后仍保持功能（图4c）。
     

结论与价值

该研究通过引入Al₂O₃界面层，将P(VDF-TrFE)的耐久性提升至10¹¹次循环，并解决了其与半导体工艺的兼容性问题。科学价值在于揭示了电荷注入与脱氟化氢反应的直接关联，为有机铁电材料的可靠性设计提供了新思路；应用价值体现在推动了柔性存储器和神经形态计算器件的实际应用。

研究亮点

1. 创新方法：首次利用Al₂O₃界面层同时抑制电荷注入和离子扩散，突破了有机铁电器件的耐久性瓶颈。
   
2. 跨学科意义：融合了铁电物理学、材料科学与微电子工艺，为有机-无机杂化器件设计树立了范例。
   
3. 技术实用性：实验采用的ALD和溅射工艺与现有半导体生产线兼容，易于规模化生产。
   

其他价值

该工作还为高压柔性电子、可穿戴传感器等领域的材料选择提供了参考，例如Al₂O₃层可推广至其他易受电荷损伤的有机功能材料体系。