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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。