钙钛矿铁电纳米片诱导的 P(VDF-TrFE)薄膜的取向生长、微结构及其性能研究

来源 :浙江大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:bluefireyang
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
PVDF及其共聚物P(VDF-TrFE)(简称PVTF)是一种典型的有机铁电材料,因其具有优异的铁电、介电和压电等物理特性,广泛应用于柔性换能器、红外探测器、传感器以及信息存储等领域。PVDF及其共聚物PVTF的铁电性来源于β相,在β相中C-C骨架呈锯齿状,C-H和C-F偶极子的取向排列分别位于C-C骨架的两侧,形成全顺式结构,自发极化强度Ps为~10μC/cm2。如何实现铁电聚合物晶相中分子链构型及偶极子取向是该领域研究的核心问题之一,对于材料与器件的性能优化具有重要的科学意义和现实价值。与无机铁电材料不同,铁电聚合物中仍存在着非晶部分,对其晶相的生长进行调控仍是一个难题。本文在综述利用应变诱导、电场诱导、及受限条件诱导等方式对其晶体取向和分子排列进行控制的基础上,提出以无机材料铁电极化来诱导 PVTFβ相取向生长的研究新思路通过单晶单畴钙钛矿四方相PbTiO3(简称PTO)铁电纳米片表面的强电场(~108V/cm)诱导PVTF偶极子的取向生长。通过旋涂的方法制备了一系列PVTF薄膜,利用原子力显微镜(AFM)、掠入射广角散射(GIWAXS)和傅里叶红外光谱(FTIR)等测试手段对薄膜微结构、分子结构、生长与取向机制进行了系统研究,并对薄膜的铁电、介电等性能进行了分析与讨论。  本研究主要内容包括:⑴利用高分子辅助水热法合成尺寸可控的PTO纳米片,并系统研究了表面修饰剂的种类和用量对PTO纳米片形貌和尺寸的影响规律,借助XRD、SEM、HRTEM等技术对合成的产物进行了物相和形貌分析。研究发现,十二烷基苯磺酸钠(SDBS)能够在保持纳米片形貌的同时,可以有效地调控PTO纳米片的厚度。在添加量为0.5g时,首次得到了厚度约30 nm,长径比可达30:1的PTO纳米片。由XRD和HRTEM和选区电子衍射(SAED)数据可知,该PTO纳米片为单晶的四方相钙钛矿结构,暴露面为{001},且该种PTO纳米片合成的最佳矿化剂浓度为6M。⑵以ITO为衬底,通过旋涂方法制备PVTF薄膜,经过180℃(PVTF熔点~150℃),退火2小时后制备了高质量的PVTF薄膜。在此基础上,将单晶单畴的PTO纳米片通过物理混合引入到PVTF薄膜中,制备出了含有不同PTO浓度的PVTF薄膜。研究表明,PTO纳米片的引入有效改变了PVTF的生长特性,由无序生长转变为有序取向生长,同时薄膜中的PTO纳米片也完全取向,晶体学方向为<001>。引入PTO的浓度为0.2 wt%时,PVTF薄膜的取向度最高,晶体学方向为(110)/(200),偶极矩的方向与衬底成60°夹角;而且掺杂浓度为0.2 wt%时,薄膜的介电和铁电性能都得到了大幅提高,而且提高幅度均大于50%。在1 KHz下介电常数从11.1提高到了18.6,铁电剩余极化从7.0μC/cm2提高到10.7μC/cm2。⑶实验研究表明,薄膜取向的驱动力来源于PTO纳米片表面的铁电极化静电场与PVTF分子链偶极矩之间的静电作用。在样品的GIWAXS结构测试、红外光谱和DSC数据等细致分析的基础上,首次发现了PVTF两种铁电相的共存关系:在PVTF薄膜中存在两种铁电相,分别是低温铁电相和高温铁电相,偶极矩的方向在低温铁电相中是随机分布的,而在高温铁电相中则是取向分布。在无PTO引入的样品中,低温铁电相占据主导地位;随着PTO纳米片的浓度增加,由低温铁电相转变为低温铁电相和高温铁电相共存。当PTO纳米片的浓度达到0.2%时,高温铁电相的量甚至与低温铁电相相近,因而其取向度也最高,进而大幅提高了0.2wt%样品的介电常数、铁电极化强度。该模型为PVTF薄膜的的生长调控与性能优化提供了新的途径。
其他文献
处于准同型相界(MPB)组分的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)晶体,因其优异的电学性能而备受关注。然而,低的居里温度(Tc<150℃)和小的矫顽场(Ec<3 kV/cm)严重限制了其在高温环境下和大功率器件中的应用。基于此,本文将具有高居里温度的Pb(E r1/2Nb1/2)O3(PEN)与PMN-PT固溶,设计并生长出四种Pb(Er1/2Nb1/2)O3
学位
近年来,具有高质量储氢密度的储氢材料成为研究热点,氨基硼烷(NH3BH3,AB,19.6 wt%;MeNH2BH3,MeAB;11.1 wt%;Me2NHBH3,Me2AB,6.8 wt%)由于具有较高的质量储氢含量,在储氢材料领域引起了广
锐钛矿二氧化钛(TiO2)晶体通常暴露的面是热力学稳定的(101)晶面,而光催化活性最高的面却是高能(001)晶面。因此,(001)面暴露的锐钛矿Ti02的制备就成为近几年来研究的热点。
本目录中的地震参数来自“中国地震台临时报告”(简称“月报”).其中,国内及邻区给出M≥4.7的事件,全球给出M≥6的事件.“月报”由中国地震局地球物理研究所九室按月做出.
环境问题的日益恶化给人们的健康带来严重的危害,半导体光催化由于其特殊的优势成为解决环境问题的有效方式之一。然而开发出高性能的光催化剂一直以来都处于一种黑暗中摸索的状态。本文通过对TiO_2,ZnO及其复合材料的光电性能与光催化性能研究,获得材料成分、微结构与光电性能和光催化性能之间的联系,期望为光催化剂的设计和筛选提供一些原则。通过TiO_2/ZnO复合材料体系光电性能的检测,获得成分与光电性能之
本文采用注塑成型/粒子沥渍法制备了Cu/LDPE多孔复合材料并对多孔复合材料的组织结构及其铜离子的释放性能进行了研究表征。在Cu/LDPE多孔复合材料的制备过程中,将DTBHQ选为致
光催化技术是解决能源和环境问题的一种有效手段。作为研究最为广泛的光催化材料,TiO2的实际应用受限于其较大的禁带宽度以及较低的量子效率。本文结合贵金属担载和半导体复合
近年来,随着科学技术的高速发展,各国都在提高自己的国防水平,装甲防护不断得到重视。碳化硅(SiC)陶瓷材料具有高强、高硬、密度低、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化等一系列优异
以前乡土节目里看过少数民族劳作的生活场景印象非常深:他们沿江岸的群山中行走,从山梁一路走来,可以俯瞰波光粼粼的田野人头攒动、牛影绰绰,还可以听到从栽秧的人群中传来的