国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）柔性电子研究中心[研究中心主任蒲田俊秀]日本科学研究院特别研究员野田由纪、研究组组长堀内幸男、中心首席研究员长谷川龙夫等人为RIKEN[理事长：松本浩]突发物质科学研究中心、动态突发物质研究部、香川文隆单位组长、高能加速器研究机构（所长：Masanori Yamauchi），材料结构科学研究所结构性能研究中心 Reiji Kumai 教授，国家研究开发公司（日本科学技术振兴机构）（主席：Michiharu Nakamura）与低分子有机物合作铁电制造薄膜存储器件的技术在室温和压力下使用印刷方法，包括图案化和涂覆溶液。
有机铁电体面临的挑战是很难使它们变薄，而这对于制造器件至关重要。该技术采用新的印刷方法，促进溶液成膜，形成极其均匀的单晶铁电薄膜。使用该技术制造的薄膜器件在仅 3 V 的低电压下工作，低于各种类型记录器件的标准工作电压。新开发的技术预计将大大加速低功耗器件的研发，例如使用印刷电子的铁电存储器和非易失性晶体管。
该结果的详细信息可以在德国学术期刊上找到先进材料
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| 有机铁电单晶薄膜的制备工艺 |
世界各地正在积极进行印刷电子技术的研究和开发，该技术利用印刷技术创建金属、半导体和其他材料的高清、高质量图案层以制造电子设备。到目前为止，技术主要开发用于印刷制造金属布线和晶体管所需的半导体层，但其他功能材料的印刷方法基本上保持不变。其中，铁电体具有优异的特性，可在电子设备中实现低功耗，例如在IC卡中迅速普及的铁电存储器和非易失性铁电栅晶体管，因此人们强烈希望开发利用印刷技术的薄膜图案化技术。
迄今为止，铁电材料主要是硬质无机材料，被认为不适合印刷方法。聚合物基有机铁电材料是已知的，但其性能明显不如无机材料。然而，近年来，低分子量铁电有机材料的开发取得了进展，并且发现了许多材料表现出与无机材料相当的性能。然而，这些有机铁电材料的问题是很难使它们变薄，而这对于器件制造至关重要。为此，我们针对这些针孔
在AIST，可以应用印刷方法来防止有毒铅稀有金属的低分子有机铁电材料。发现了一种具有优异性能的铁电材料，该材料由结合了两种有机分子的分子化合物组成（2005 年 1 月 24 日 AIST 新闻稿），我们还开发了一种单组分有机材料，在室温下表现出最高的铁电性（2010 年 2 月 12 日 AIST 新闻稿)和许多其他有机铁电材料已经被生产出来。为了将其转化为器件，必须形成分子沿同一方向排列的无针孔薄膜，因此我们采用了先进的印刷技术并寻找了广泛的材料来实现这一结果。
这项研究和开发得到了日本科学技术振兴机构战略创意研究促进项目团队研究（CREST）“利用有机材料创建下一代铁电材料科学（2011-2017）”的支持。
这次，我们使用2-甲基苯并咪唑（MBI）（图1a）作为有机铁电材料。 MBI 是氢键型有机铁电材料，在有机溶剂中具有优异的溶解性，在室温下表现出优异的铁电性，并且具有极低的铁电性矫顽电场（几十kV/cm）极化反转做。另外，在单晶中，在两个正交方向自发极化P可以出现。在沿薄膜垂直方向施加电压的器件中，自发极化必须具有垂直于薄膜的分量，但MBI倾向于生长成具有这样的极化方向的板状晶体。
图1b示意性地显示了在室温和压力下使用新开发的印刷方法的薄膜制造过程。在具有氧化膜的1cm见方的硅基板的表面上制作由宽度为100μm的亲水区域和宽度为100μm的疏水区域交替组成的条纹疏水图案，并通过将平板（刀片）扫到该图案上来涂敷溶解了MBI的溶液。干燥后，仅在亲水区域选择性地形成MBI薄膜。偏光显微镜观察，整个薄膜在特定方向上淬灭光，表明形成的薄膜是分子沿同一方向排列的单晶薄膜（图1c）。
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| 图1 单晶薄膜的制作 |
| 2-甲基苯并咪唑的分子结构(a)、单晶薄膜制造工艺概念图(b)、MBI单晶薄膜的偏光显微照片(c)。可以看出，亮度由于样品的旋转（偏光板的旋转）而发生变化。十字箭头表示偏振器的方向。比例尺为 400 µm。 |
高能加速器研究组织光子工厂同步加速器X射线衍射测量，我们研究了制备的MBI薄膜是否是单晶，以及分子排列和自发极化的方向。图2a所示的衍射图显示了单个衍射点观察(红色虚线圆)，确认得到的薄膜为单晶。此外，分子通过氢键连接成链，并且这些分子链沿两个方向排列：垂直于基底表面和水平于基底表面。结果出现自发极化P与基底表面的法线方向倾斜45度（图2b、2c）。因为它具有垂直于基板平面的偏振分量，所以可以通过在电极、铁电体和电极依次层叠的层叠器件的上下电极之间施加电压来引起偏振反转。
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| 图2 同步辐射X射线衍射测量图像及衍射照片(a)、晶体中分子结构示意图(b)、单晶薄膜中分子结构和自发极化示意图(c) |
使用该单晶薄膜（膜厚约1μm）制作电容器型器件结构，P-E迟滞经测量，即使没有热处理等预处理，它也显示出良好的磁滞回线（图3a）。在10Hz的扫描频率下，发生极化反转的电压平均为3至4V，表明可以在极低的电压下获得能够极化反转的器件。此外，我们通过以10至1000 Hz的速度扫描来研究重复极化反转的耐久性，发现在1000 Hz的扫描频率下铁电特性可以保持数十万次（图3b）。如果优化电极结构，预计耐久性将进一步提高。
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图3 新制备的单晶薄膜的铁电性能
(a) 极化电场特性。 (b) 重复测量极化反转。两个图中的 Hz 数字是电场扫描速度。 |
这种有机铁电薄膜的微观区域如何发生极化反转压电响应显微镜检查当对厚度约为1μm的薄膜施加+20V的电压10至1000毫秒的不同时间时，根据时间的不同，会发生不同大小的圆极化反转域名写在晶体表面（图4a）。域尺寸随着电压施加时间呈对数增加，直径最小为 500 nm（图 4b）。该极化反转域在室温、大气中保持稳定超过 40 小时。此外，压电响应显微镜图像的相位分量显示偏振方向没有旋转 90 度，而是反转了 180 度（图 4c）。
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图4 使用压电响应显微镜进行局部极化反转操作
(a) 写入操作后的相位图像。 (b) 极化反转域尺寸对电压施加时间的依赖性。 (c) 偏振反转域在垂直（左）和面内（右）方向上的相位图像。 |
未来，我们将利用新开发的印刷法薄膜制造技术，并将其与金属布线和半导体薄膜的印刷技术相结合，制造出采用所有印刷方法的电子器件。