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铁电材料基于其独特的物化性能及广阔的应用前景,已成为21世纪高新科技领域重要的研究热点之一。近年来,基于聚偏氟乙烯(PVDF)的铁电聚合物材料吸引了越来越多的关注。因为其具有突出的介电,铁电,压电,电热,热释电以及高能量密度等特性,能够覆盖到传感器,探测器,存储器,致冷器以及储能器等应用领域。二元铁电聚合物P(VDF-TrFE)(70/30,mol%)薄膜在经过特殊处理后,具有较高的结晶度和较高剩余极化强度,是广为人知的性能优秀的铁电聚合物之一。 基于此,本文利用溶胶,凝胶法结合旋涂法制备了P(VDF-TrFE)薄膜以及银纳米颗粒(Ag NPs)掺杂的P(VDF-TrFE)复合薄膜,并对其微观形貌、结晶特性、介电铁电特性以及光学性质进行了系统的研究,同时也探索了机械弯曲形变对P(VDF-TrFE)薄膜的电学性能调控,结合界面极化(interfacialpolarization)和挠曲电效应(flexoelectricity effect)理论对实验结果进行分析探讨。本论文主要进行了以下研究: 一、采用溶胶-凝胶法和旋涂法制备银纳米颗粒复合的P(VDF-TrFE)薄膜 利用溶胶,凝胶法制各AgNO3和P(VDF-TrFE)的混合前驱液,采用旋涂法将该前驱液均匀地旋涂于洁净衬底上得到AgNO3掺杂的P(VDF-TrFE)薄膜。将薄膜置于氮气氛中135℃退火4小时,炉冷后获得银纳米颗粒复合P(VDF-TrFE)薄膜。利用X射线衍射分析复合薄膜的物相组成,位于2θ=19.90°的衍射峰对应了P(VDF-TrFE)的铁电β(110,200)相,2θ=38.1°的衍射峰则对应Ag(111)相,证实银单质成分的存在。同时,原子力显微镜(AFM)表征的薄膜表面微观形貌观察到了银纳米球形颗粒复合于P(VDF-TrFE)薄膜基质中,且银纳米颗粒尺寸随前驱液中AgNO3的掺杂质量分数增加而增大,绝大多数的颗粒直径在5~20nm之间。 二、银纳米颗粒对P(VDF-TrFE)薄膜的电、光学性能的调控 银纳米颗粒复合P(VDF-TrFE)薄膜的剩余极化强度及相对介电常数随前驱液中AgNO3含量的增加而增大。当AgYO3掺杂质量分数为7.5%时,银纳米颗粒复合P(VDF-TrFE)薄膜的剩余极化强度最大,达到7.8μC/cm2,相较于纯的P(VDF-TrFE)薄膜的剩余极化强度5.6μC/cm2增加了38%左右,此时铁电性能达到最佳。当AgNO3掺杂质量分数从0%增加到10%时,复合薄膜的相对介电常数从9.3增大到13.7,与此同时,介电损耗始终保持在一个较低的水平。同时,我们在压电力显微镜(PFM)的测试中发现铁电薄膜的矫顽场随AgNO3掺杂质量分数增加而减小。银纳米颗粒嵌入P(VDF-TrFE)薄膜后,产生了额外的金属颗粒与聚合物基之间的界面,从而诱发的界面极化是导致这些显著的性能变化的主要原因。同时,银纳米颗粒在450nm波段附近的等离子激元共振吸收峰的峰值强度随AgNO3掺杂质量分数增加而增大。 三、机械弯曲形变对P(VDF-TrFE)薄膜电学性能的调控 将优质P(VDF-TrFE)铁电薄膜制备于聚酰亚胺柔性衬底上,利用机械弯曲形变实现了对薄膜铁电、介电以及热释电性能的调控。通过实验我们发现P(VDF-TrFE)铁电薄膜的剩余极化强度随正向弯曲形变量的增加而增加,其值从最大负向弯曲形变对应的6.14μC/cm2增至最大正向弯曲形变对应的6.87μC/cm2,即正向弯曲能够提高P(VDF-TrFE)薄膜的剩余极化强度,然而其极化翻转疲劳较未弯曲形变的样品更显著,这个负面的影响主要来自弯曲过程中产生的额外的电荷注入。我们同样考察了P(VDF-TrFE)薄膜的介电特性随弯曲形变的变化关系,对比了极化和弯曲形变对P(VDF-TrFE)薄膜介电常数和介电损耗的影响。在热释电压响应测试中,我们成功捕捉到了弯曲形变下P(VDF-TrFE)薄膜的热释电压响应,并且响应值同样随着正向弯曲形变量的增加而增加,从2.95mV提高到3.35mV。挠曲电效应较好地解释了这些现象,弯曲产生的应力梯度使得围绕在P(VDF-TrFE)碳链周围的氢、氟原子产生特定位置取向的偏转,造成薄膜内部的正负电荷不对称,从而引入一个额外的电极化。 总之,我们利用溶胶-凝胶法结合旋涂法成功制备了银纳米颗粒掺杂的P(VDF-TrFE)复合薄膜,通过银纳米颗粒掺杂以及机械弯曲形变对P(VDF-TrFE)薄膜的电、光学性能进行调控,在一定程度上提高了P(VDF-TrFE)薄膜的铁电性、介电性以及热释电性。