P(VDF-TrFE)鐵電薄膜摻雜特性研究.pdf

1、聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物作為一類有機(jī)鐵電和壓電材料可以廣泛應(yīng)用于壓電傳感器、能量接收器、熱釋電紅外探測(cè)器以及非揮發(fā)性存儲(chǔ)器等。PVDF單聚物主要包含四種晶相：α相、β相、γ相以及δ相。純PVDF由于含有大量的非極性α相且結(jié)晶度比較低導(dǎo)致與β相相關(guān)的鐵電性以及壓電性比較弱。因此通過引入PVDF的共聚物如三氟乙烯、四氟乙烯提高其結(jié)晶度改進(jìn)聚合物的鐵電及壓電性能。P(VDF-TrFE)(70/30，mol％)在特定的退火條件下具有很高

2、的結(jié)晶度且大量的非極性的相轉(zhuǎn)變?yōu)闃O性相，因此具有較高的剩余極化強(qiáng)度。與傳統(tǒng)的無機(jī)鈣鈦礦相鐵電材料相比，PVDF的介電常數(shù)非常低(10)，限制了其在高介電材料上的應(yīng)用。因此，如何提高聚合物的介電常數(shù)是目前PVDF的一個(gè)重要方向。本文利用旋涂法將硝酸銀(AgNO3)分散到P(VDF-TrFE)共聚物薄膜中并采用氫氣退火的方式制備金屬納米銀摻雜的P(VDF-TrFE)/Ag復(fù)合薄膜，實(shí)現(xiàn)了對(duì)P(VDF-TrFE)薄膜電學(xué)性能的改進(jìn)。本論文主要

3、得到以下結(jié)果：
　　 1.利用溶液旋涂法制備了單層P(VDF-TrFE)/AgNO3復(fù)合薄膜，在氫氣壓為1.5個(gè)大氣壓，氫氣流量30mL/min的氣氛中135℃退火12小時(shí)成功得到了P(VDF-TrFE)/Ag復(fù)合薄膜。利用X射線衍射分析薄膜的結(jié)構(gòu)和物相，發(fā)現(xiàn)在20=19.90和20=38.70的衍射峰分別對(duì)應(yīng)鐵電β相(110，200)和γ相(211)，而在20=38.1的衍射峰為Ag(111)相，證明了納米銀顆粒的形成。傅里葉

4、紅外透射吸收譜顯示在1073cm-1處的β相吸收峰的藍(lán)移證明了銀納米粒子與偶極子的相互作用。SEM圖上的微小顆粒為硝酸銀分解成的納米銀。
　　 2.研究了銀摻雜對(duì)P(VDF-TrFE)薄膜鐵電性能的影響。P(VDF-TrFE)/Ag復(fù)合薄膜的剩余極化強(qiáng)度隨著納米銀含量的增加而增加，在銀摻雜比例達(dá)到10%時(shí)其剩余極化強(qiáng)度達(dá)到5.67μc/cm2，相較于空氣退火的純P(VDF-TrFE)薄膜的剩余極化強(qiáng)度4.28μc/cm2增加了3

5、0%左右。氫氣退火處理的薄膜的剩余極化強(qiáng)度和矯頑場(chǎng)均比未經(jīng)過氫氣退火的樣品大，這歸因于氫氣退火和銀納米粒子的摻雜使得共聚物中的非極性相轉(zhuǎn)變?yōu)闃O性β相和γ相，并且有效降低了薄膜中的缺陷密度。
　　 3.研究了銀摻雜對(duì)P(VDF-TrFE)復(fù)合薄膜的介電性能的影響。P(VDF-TrFE)/Ag復(fù)合薄膜的介電常數(shù)隨著銀摻雜比例的增加而增加，當(dāng)摻雜比例達(dá)到10%時(shí)復(fù)合薄膜的介電常數(shù)值為16.79比未摻雜的純PVDF的介電常數(shù)值14.37

6、提高了17%，而納米銀摻雜的樣品的介電損耗比未摻雜的樣品小并且不隨摻雜比例的變化而改變。導(dǎo)電銀顆粒在聚合物中形成許多的微電容提高了薄膜的介電常數(shù)，通過觀察薄膜的SEM圖像可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電納米銀并未形成導(dǎo)電通道，因此與漏電流相關(guān)的介電損耗并未增加。
　　 4.通過對(duì)薄膜的不同頻率下介電升溫降溫曲線研究，發(fā)現(xiàn)P(VDF-TrFE)薄膜的介電常數(shù)隨頻率的增加而降低，介電實(shí)部峰值不隨頻率的變化而變化，熱滯為36K表現(xiàn)為典型的一階相變特征。<

7、br>　　 5.通過對(duì)不同偏壓下復(fù)合薄膜的介電變溫頻譜的研究，發(fā)現(xiàn)在330K、360K和388K左右出現(xiàn)三個(gè)明顯的介電虛部峰，分別對(duì)應(yīng)由結(jié)構(gòu)缺陷或銀摻雜引起的介電弛豫、鐵電順電相變以及聚合物熔融相變。在2V直流偏壓下，對(duì)空氣退火處理的純P(VDF-TrFE)薄膜和銀摻雜比例為10%的P(VDF-TrFE)/Ag復(fù)合薄膜在330K左右的介電虛部峰值隨著頻率的增加而增加，表現(xiàn)出明顯的介電弛豫。通過對(duì)低頻介電弛豫cole-cole擬合發(fā)現(xiàn)，