通過納米顆粒摻雜和機(jī)械彎曲形變調(diào)控P(VDF-TrFE)鐵電薄膜的電光性能.pdf

1、鐵電材料基于其獨(dú)特的物化性能及廣闊的應(yīng)用前景，已成為21世紀(jì)高新科技領(lǐng)域重要的研究熱點(diǎn)之一。近年來(lái)，基于聚偏氟乙烯(PVDF)的鐵電聚合物材料吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。因?yàn)槠渚哂型怀龅慕殡?，鐵電，壓電，電熱，熱釋電以及高能量密度等特性，能夠覆蓋到傳感器，探測(cè)器，存儲(chǔ)器，致冷器以及儲(chǔ)能器等應(yīng)用領(lǐng)域。二元鐵電聚合物P(VDF-TrFE)(70/30，mol％)薄膜在經(jīng)過特殊處理后，具有較高的結(jié)晶度和較高剩余極化強(qiáng)度，是廣為人知的性能優(yōu)秀的鐵電聚

2、合物之一。
　　基于此，本文利用溶膠，凝膠法結(jié)合旋涂法制備了P(VDF-TrFE)薄膜以及銀納米顆粒(Ag NPs)摻雜的P(VDF-TrFE)復(fù)合薄膜，并對(duì)其微觀形貌、結(jié)晶特性、介電鐵電特性以及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，同時(shí)也探索了機(jī)械彎曲形變對(duì)P(VDF-TrFE)薄膜的電學(xué)性能調(diào)控，結(jié)合界面極化(interfacialpolarization)和撓曲電效應(yīng)(flexoelectricity effect)理論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分

3、析探討。本論文主要進(jìn)行了以下研究:
　　一、采用溶膠-凝膠法和旋涂法制備銀納米顆粒復(fù)合的P(VDF-TrFE)薄膜
　　利用溶膠，凝膠法制各AgNO3和P(VDF-TrFE)的混合前驅(qū)液，采用旋涂法將該前驅(qū)液均勻地旋涂于潔凈襯底上得到AgNO3摻雜的P(VDF-TrFE)薄膜。將薄膜置于氮?dú)夥罩?35℃退火4小時(shí)，爐冷后獲得銀納米顆粒復(fù)合P(VDF-TrFE)薄膜。利用X射線衍射分析復(fù)合薄膜的物相組成，位于2θ=19.90°

4、的衍射峰對(duì)應(yīng)了P(VDF-TrFE)的鐵電β(110，200)相，2θ=38.1°的衍射峰則對(duì)應(yīng)Ag(111)相，證實(shí)銀單質(zhì)成分的存在。同時(shí)，原子力顯微鏡(AFM)表征的薄膜表面微觀形貌觀察到了銀納米球形顆粒復(fù)合于P(VDF-TrFE)薄膜基質(zhì)中，且銀納米顆粒尺寸隨前驅(qū)液中AgNO3的摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大，絕大多數(shù)的顆粒直徑在5～20nm之間。
　　二、銀納米顆粒對(duì)P(VDF-TrFE)薄膜的電、光學(xué)性能的調(diào)控
　　銀納米

5、顆粒復(fù)合P(VDF-TrFE)薄膜的剩余極化強(qiáng)度及相對(duì)介電常數(shù)隨前驅(qū)液中AgNO3含量的增加而增大。當(dāng)AgYO3摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5％時(shí)，銀納米顆粒復(fù)合P(VDF-TrFE)薄膜的剩余極化強(qiáng)度最大，達(dá)到7.8μC/cm2，相較于純的P(VDF-TrFE)薄膜的剩余極化強(qiáng)度5.6μC/cm2增加了38％左右，此時(shí)鐵電性能達(dá)到最佳。當(dāng)AgNO3摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0％增加到10％時(shí)，復(fù)合薄膜的相對(duì)介電常數(shù)從9.3增大到13.7，與此同時(shí)，介電損耗

6、始終保持在一個(gè)較低的水平。同時(shí)，我們?cè)趬弘娏︼@微鏡(PFM)的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)鐵電薄膜的矯頑場(chǎng)隨AgNO3摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而減小。銀納米顆粒嵌入P(VDF-TrFE)薄膜后，產(chǎn)生了額外的金屬顆粒與聚合物基之間的界面，從而誘發(fā)的界面極化是導(dǎo)致這些顯著的性能變化的主要原因。同時(shí)，銀納米顆粒在450nm波段附近的等離子激元共振吸收峰的峰值強(qiáng)度隨AgNO3摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大。
　　三、機(jī)械彎曲形變對(duì)P(VDF-TrFE)薄膜電學(xué)性能的調(diào)控<

7、br>　　將優(yōu)質(zhì)P(VDF-TrFE)鐵電薄膜制備于聚酰亞胺柔性襯底上，利用機(jī)械彎曲形變實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜鐵電、介電以及熱釋電性能的調(diào)控。通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)P(VDF-TrFE)鐵電薄膜的剩余極化強(qiáng)度隨正向彎曲形變量的增加而增加，其值從最大負(fù)向彎曲形變對(duì)應(yīng)的6.14μC/cm2增至最大正向彎曲形變對(duì)應(yīng)的6.87μC/cm2，即正向彎曲能夠提高P(VDF-TrFE)薄膜的剩余極化強(qiáng)度，然而其極化翻轉(zhuǎn)疲勞較未彎曲形變的樣品更顯著，這個(gè)負(fù)面的影響主要

8、來(lái)自彎曲過程中產(chǎn)生的額外的電荷注入。我們同樣考察了P(VDF-TrFE)薄膜的介電特性隨彎曲形變的變化關(guān)系，對(duì)比了極化和彎曲形變對(duì)P(VDF-TrFE)薄膜介電常數(shù)和介電損耗的影響。在熱釋電壓響應(yīng)測(cè)試中，我們成功捕捉到了彎曲形變下P(VDF-TrFE)薄膜的熱釋電壓響應(yīng)，并且響應(yīng)值同樣隨著正向彎曲形變量的增加而增加，從2.95mV提高到3.35mV。撓曲電效應(yīng)較好地解釋了這些現(xiàn)象，彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力梯度使得圍繞在P(VDF-TrFE)碳鏈周