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鐵電和壓電材料可以廣泛應用于壓電傳感器、能量接收器、熱釋電紅外探測器以及非揮發(fā)性存儲器等。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相且結晶度比較低導致與β相相關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、四氟乙烯提高其結晶度改進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、的結晶度且大量的非極性的相轉變?yōu)闃O性相，因此具有較高的剩余極化強度。與傳統(tǒng)的無機鈣鈦礦相鐵電材料相比，PVDF的介電常數非常低(10)，限制了其在高介電材料上的應用。因此，如何提高聚合物的介電常數是目前PVDF的一個重要方向。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復合薄膜，實現(xiàn)了對P(VDF-TrFE)薄膜電學性能的改進。本論文主要

3、得到以下結果：
　　 1.利用溶液旋涂法制備了單層P(VDF-TrFE)/AgNO3復合薄膜，在氫氣壓為1.5個大氣壓，氫氣流量30mL/min的氣氛中135℃退火12小時成功得到了P(VDF-TrFE)/Ag復合薄膜。利用X射線衍射分析薄膜的結構和物相，發(fā)現(xiàn)在20=19.90和20=38.70的衍射峰分別對應鐵電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P(VDF-TrFE)薄膜鐵電性能的影響。P(VDF-TrFE)/Ag復合薄膜的剩余極化強度隨著納米銀含量的增加而增加，在銀摻雜比例達到10%時其剩余極化強度達到5.67μc/cm2，相較于空氣退火的純P(VDF-TrFE)薄膜的剩余極化強度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度和矯頑場均比未經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P(VDF-TrFE)復合薄膜的介電性能的影響。P(VDF-TrFE)/Ag復合薄膜的介電常數隨著銀摻雜比例的增加而增加，當摻雜比例達到10%時復合薄膜的介電常數值為16.79比未摻雜的純PVDF的介電常數值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，通過觀察薄膜的SEM圖像可以發(fā)現(xiàn)導電納米銀并未形成導電通道，因此與漏電流相關的介電損耗并未增加。
　　 4.通過對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)薄膜的介電常數隨頻率的增加而降低，介電實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.通過對不同偏壓下復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)三個明顯的介電虛部峰，分別對應由結構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。通過對低頻介電弛豫cole-cole擬合發(fā)現(xiàn)，