stringtranslate.com

Сегнетоэлектрический полимер

Сегнетоэлектрические полимеры [1] [2] представляют собой группу кристаллических полярных полимеров , которые также являются сегнетоэлектриками , что означает, что они сохраняют постоянную электрическую поляризацию , которая может быть изменена или переключена во внешнем электрическом поле .

Ферроэлектрические полимеры, такие как поливинилиденфторид (ПВДФ), используются в акустических преобразователях и электромеханических приводах из-за присущего им пьезоэлектрического отклика, а также в качестве тепловых датчиков из-за присущего им пироэлектрического отклика. [3]

Рисунок 1: Структура поливинилиденфторида

Фон

Впервые описанные в 1971 году, сегнетоэлектрические полимеры представляют собой полимерные цепи, которые должны проявлять сегнетоэлектрическое поведение, [4] отсюда пьезоэлектрическое [3] и пироэлектрическое поведение. [3]

Сегнетоэлектрический полимер должен содержать постоянную электрическую поляризацию, которая может быть многократно изменена на противоположную с помощью противоположного электрического поля. [4] В полимере диполи могут быть ориентированы случайным образом, но приложение электрического поля выровняет диполи, что приведет к сегнетоэлектрическому поведению. Для того чтобы этот эффект произошел, материал должен быть ниже своей температуры Кюри . [5] Выше температуры Кюри полимер проявляет параэлектрическое поведение, которое не допускает сегнетоэлектрического поведения, поскольку электрические поля не выровнены.

Рисунок 2: Структура политрифторэтилена

Следствием сегнетоэлектрического поведения является пьезоэлектрическое поведение, при котором полимер генерирует электрическое поле при приложении напряжения или меняет форму при приложении электрического поля. Это рассматривается как усадка или изменение конформации полимера в электрическом поле; или, растягивая и сжимая полимер, измеряют генерируемые электрические поля. Пироэлектрическое поведение возникает из-за изменения температуры, вызывающего электрическое поведение материала. В то время как для сегнетоэлектрического полимера требуется только сегнетоэлектрическое поведение, современные сегнетоэлектрические полимеры проявляют пироэлектрическое и пьезоэлектрическое поведение. [3]

Для того чтобы иметь электрическую поляризацию, которая может быть обращена, сегнетоэлектрические полимеры часто являются кристаллическими, как и другие сегнетоэлектрические материалы. [5] Сегнетоэлектрические свойства получены из электретов, которые определяются как диэлектрическое тело, которое поляризуется при приложении электрического поля и тепла. Сегнетоэлектрические полимеры отличаются тем, что все тело подвергается поляризации, и потребность в тепле не является обязательной. Хотя они отличаются от электретов, их часто называют электретами. [2] Сегнетоэлектрические полимеры попадают в категорию сегнетоэлектрических материалов, известную как материал «порядок-беспорядок» [4] . Этот материал претерпевает изменение от хаотично ориентированных диполей, которые являются параэлектриками, до упорядоченных диполей, которые становятся сегнетоэлектриками.

После открытия PVDF, многие другие полимеры были исследованы, которые содержат сегнетоэлектрические, пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства. Первоначально были обнаружены различные смеси и сополимеры PVDF, такие как поливинилиденфторид с поли(метилметакрилатом) . [2]

Было обнаружено, что другие структуры обладают сегнетоэлектрическими свойствами, например, политрифторэтилен [6] и нейлон с нечетным числом атомов. [2] [7] [8]

История

Рисунок 3: Краткая хронология важных событий, произошедших в истории пьезоэлектричества и сегнетоэлектрических полимеров.

Концепция сегнетоэлектричества была впервые открыта в 1921 году. Это явление начало играть гораздо большую роль в электронных приложениях в 1950-х годах после возросшего использования BaTiO 3 . Этот сегнетоэлектрический материал является частью кислородно -октаэдрической структуры с общими углами , но сегнетоэлектрики также можно сгруппировать в три другие категории. Эти категории включают органические полимеры, керамические полимерные композиты и соединения, содержащие радикалы с водородными связями. Только в 1969 году Каваи впервые наблюдал пьезоэлектрический эффект в полимере поливинилиденфториде. Два года спустя были опубликованы сегнетоэлектрические свойства того же полимера. На протяжении 1970-х и 1980-х годов эти полимеры применялись для хранения и извлечения данных. Впоследствии в течение последнего десятилетия наблюдался огромный рост в исследовании материаловедения, физики и технологии поливинилиденфторида и других фторированных полимеров. Сополимер ПВДФ с трифторэтиленом и нечетными нейлонами были дополнительными полимерами, которые, как было обнаружено, являются сегнетоэлектриками. Это подтолкнуло ряд развивающихся приложений по пьезоэлектричеству и пироэлектричеству.

Поливинилиденфторид

Синтез

Поливинилидинфторид получают путем радикальной полимеризации винилидинфторида .

Изучение структуры

Чтобы минимизировать потенциальную энергию цепей, возникающую из-за внутренних стерических и электростатических взаимодействий, в цепочке ПВДФ происходит вращение вокруг одинарных связей. Существует два наиболее благоприятных расположения крутильных связей: транс (t) и гош ± (g ± ). В случае «t» заместители находятся под углом 180° друг к другу. В случае «g ± » заместители находятся под углом ±60° друг к другу. Молекулы ПВДФ содержат два атома водорода и два атома фтора на повторяющуюся единицу, поэтому у них есть выбор из нескольких конформаций. Однако вращательные барьеры относительно высоки, цепи могут быть стабилизированы в благоприятных конформациях, отличных от конформации с самой низкой энергией. Три известные конформации ПВДФ — это полностью транс, tg + tg − и tttg + tttg − . Первые две конформации являются наиболее распространенными и схематически изображены на рисунке справа. В конформации tg + tg − наклон диполей к оси цепи приводит к полярным компонентам как перпендикулярным (4,0 × 10 −30 См на повтор), так и параллельным цепи (3,4 × 10 −30 См на повтор). В полностью транс-структуре выравнивание всех ее диполей происходит в одном направлении, перпендикулярном оси цепи. Таким образом, можно ожидать, что полностью транс-структура является наиболее высокополярной конформацией в ПВДФ (7,× 10 −30 См на повтор). Эти полярные конформации являются решающими факторами, которые приводят к сегнетоэлектрическим свойствам. [3]

Текущие исследования

Ферроэлектрические полимеры и другие материалы были включены во многие приложения, но в настоящее время все еще проводятся передовые исследования. Например, проводятся исследования новых сегнетоэлектрических полимерных композитов с высокими диэлектрическими постоянными. Ферроэлектрические полимеры, такие как поливинилиденфторид и поли[(винилиденфторид-со-трифторэтилен], очень привлекательны для многих применений, поскольку они демонстрируют хорошие пьезоэлектрические и пироэлектрические отклики и низкий акустический импеданс , который соответствует воде и коже человека. Что еще более важно, их можно адаптировать для удовлетворения различных требований. Распространенным подходом к повышению диэлектрической проницаемости является диспергирование керамического порошка с высокой диэлектрической проницаемостью в полимерах. Популярные керамические порошки представляют собой комплексы на основе свинца, такие как PbTiO 3 и Pb(Zr,Ti)O 3 . Это может быть невыгодно, поскольку свинец может быть потенциально вредным, а при высокой нагрузке частицами полимеры теряют свою гибкость, и получается композит низкого качества. Современные достижения используют процедуру смешивания для создания композитов, которые основаны на простой комбинации ПВДФ и дешевых металлических порошков. В частности, для изготовления композитов использовались порошки Ni. Диэлектрические проницаемости были улучшены со значений, которые были менее 10, до приблизительно 400. Это большое улучшение объясняется теорией перколяции . [9]

Эти сегнетоэлектрические материалы также использовались в качестве датчиков. Более конкретно, эти типы полимеров использовались для датчиков высокого давления и ударного сжатия. [10] Было обнаружено, что сегнетоэлектрические полимеры проявляют пьезолюминесценцию при приложении напряжения. Пьезолюминесценция была исследована в материалах, которые являются пьезоэлектриками. [11]

Рисунок 7: Кривая напряжение-деформация, показывающая различные области. Свет, видимый при разрыве, известен как триболюминесценция, а свет, излучаемый в упругом режиме, известен как пьезолюминесценция.

Полезно различать несколько режимов в типичной кривой напряжения-деформации для твердого материала. Три режима кривой напряжения-деформации включают упругий, пластический и режим разрушения. Свет, излучаемый в упругом режиме, называется пьезолюминесценцией. На рис. 7 показана общая кривая напряжения-деформации.

Эти типы полимеров сыграли свою роль в биомедицинских и робототехнических приложениях и жидкокристаллических полимерах. В 1974 году Р. Б. Мейер предсказал сегнетоэлектричество в хиральных смектических жидких кристаллах с помощью чистых условий симметрии. Вскоре после этого Кларк и Лагервалл провели работу по быстрому электрооптическому эффекту в структуре поверхностно-стабилизированного сегнетоэлектрического жидкого кристалла (SSFLC). Это открыло многообещающую возможность технического применения сегнетоэлектрических жидких кристаллов в устройствах отображения высокой информации. С помощью прикладных исследований было показано, что структура SSFLC имеет более быстрое время переключения и бистабильное поведение по сравнению с обычно используемыми нематическими жидкокристаллическими дисплеями. В тот же период времени были синтезированы первые жидкокристаллические полимеры с боковой цепью (SCLCP). Эти гребнеобразные полимеры имеют мезогенные боковые цепи, которые ковалентно связаны (через гибкие спейсерные единицы) с полимерной основой. Наиболее важной особенностью SCLCP является их стеклообразное состояние. Другими словами, эти полимеры имеют «замороженное» упорядоченное состояние вдоль одной оси при охлаждении ниже температуры стеклования . Это выгодно для исследований в области нелинейных оптических и оптических устройств хранения данных. Недостатком является то, что эти SCLCP страдают от медленного времени переключения из-за их высокой вращательной вязкости .

Приложения

Энергонезависимая память

Сегнетоэлектрическое свойство демонстрирует петлю поляризации-электрического поля- гистерезиса , которая связана с «памятью». Одним из приложений является интеграция сегнетоэлектрических полимерных пленок Ленгмюра-Блоджетт (LB) с полупроводниковой технологией для производства энергонезависимой сегнетоэлектрической памяти с произвольным доступом и устройств хранения данных. Недавние исследования с пленками LB и более традиционными пленками, сформированными растворителем, показывают, что сополимеры VDF (состоящие из 70% винилиденфторида (VDF) и 30% трифторэтилена (TrFE)) являются перспективными материалами для энергонезависимых приложений памяти. Устройство построено в форме емкостной памяти металл-сегнетоэлектрик-изолятор-полупроводник (MFIS). Результаты показали, что пленки LB могут обеспечить работу устройств с низким напряжением. [12]

В 2009 году компания Thin Film Electronics успешно продемонстрировала рулонную печать энергонезависимой памяти на основе сегнетоэлектрических полимеров. [13] [14] [15] [16]

Преобразователи

Сегнетоэлектрический эффект всегда связывает различные силы с электрическими свойствами, которые могут быть применены в преобразователях . Гибкость и низкая стоимость полимеров облегчают применение сегнетоэлектрических полимеров в преобразователях. Конфигурация устройства проста, она обычно состоит из куска сегнетоэлектрической пленки с электродом на верхней и нижней поверхностях. Контакты к двум электродам завершают конструкцию. [17]

Датчики

Когда устройство функционирует как датчик , механическая или акустическая сила, приложенная к одной из поверхностей, вызывает сжатие материала. Через прямой пьезоэлектрический эффект между электродами генерируется напряжение.

Приводы

В актуаторах напряжение, приложенное между электродами, вызывает деформацию пленки посредством обратного пьезоэлектрического эффекта.

Было доказано, что мягкие преобразователи в виде сегнетоэлектрических полимерных пен имеют большой потенциал. [18]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ «Сегнетоэлектрические свойства сополимеров винилиденфторида», Т. Фурукава, в Phase Transitions , т. 18 , стр. 143–211 (1989).
  2. ^ abcd Nalwa, H. (1995). Ферроэлектрические полимеры (первое издание). Нью-Йорк: Marcel Dekker, INC. ISBN 0-8247-9468-0.
  3. ^ abcde Lovinger, AJ (1983). «Сегнетоэлектрические полимеры». Science . 220 (4602): 1115–1121. Bibcode :1983Sci...220.1115L. doi :10.1126/science.220.4602.1115. PMID  17818472. S2CID  45870679.
  4. ^ abc Poulsen, M.; Ducharme, S.. (2010). «Почему сегнетоэлектрический поливинилиденфторид особенный». Труды IEEE по диэлектрикам и электроизоляции . 17 (4): 1028–1035. doi :10.1109/TDEI.2010.5539671. S2CID  35285042.
  5. ^ ab Atkins, P. (2006). "23". Неорганическая химия . Overton, Rourke, Weller, Armstrong (Четвертое изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. стр. 609–610. ISBN 0-7167-4878-9.
  6. ^ Таширо, К.; Такано, К.; Кобаяши, М.; Чатани, И.; Тадокоро, Х. (2011). «Структурное исследование сегнетоэлектрического фазового перехода сополимеров винилиденфторида и трифторэтилена (III) в зависимости от переходного поведения от молярного содержания ВДФ». Сегнетоэлектрики . 57 (1): 297–326. doi :10.1080/00150198408012770. ISSN  0015-0193.
  7. ^ Nalwa, HS (1991). "Современные разработки в области сегнетоэлектрических полимеров". J. Macromol. Sci. Rev. Macromol. Chem. Phys . 29 (4): 341. doi :10.1080/15321799108021957.
  8. ^ Кеплер, РГ; Андерсон, РА (1992). «Сегнетоэлектрические полимеры». Успехи физики . 41 (1): 1–57. Bibcode :1992AdPhy..41....1K. doi :10.1080/00018739200101463. ISSN  0001-8732.
  9. ^ Dang, Zhi-Ming; Ce-Wen Nan (2003). «Новые сегнетоэлектрические полимерные композиты с высокими диэлектрическими постоянными». Advanced Materials . 15 (19). Университет Цинхуа: Communications: 1625–1628. Bibcode : 2003AdM....15.1625D. doi : 10.1002/adma.200304911. S2CID  95213295.
  10. ^ Бауэр, Франсуа (2002). «Сегнетоэлектрические полимеры для датчиков высокого давления и ударного сжатия». Mat. Res. Soc. Symposium . 698. Materials Research Society.
  11. ^ Рейнольдс, Джордж (1997). «Пьезолюминесценция из сегнетоэлектрического полимера и кварца». Журнал люминесценции . 75 (4). Принстон: 295–299. Bibcode : 1997JLum...75..295R. doi : 10.1016/S0022-2313(97)00134-8.
  12. ^ Дюшарм, Д.; Рис, Т.Дж.; Отон, К.М.; Раннов, Р.К. (2005). «Ферроэлектрические полимерные пленки Ленгмюра-Блоджетт для энергонезависимых запоминающих устройств». Труды IEEE по надежности устройств и материалов . 5 (4): 720–733. doi :10.1109/TDMR.2005.860818. S2CID  36022494.
  13. ↑ Thinfilm и InkTec награждены премией IDTechEx за техническое развитие производства IDTechEx, 15 апреля 2009 г.
  14. ^ PolyIC и ThinFilm анонсируют пилотный проект по объемной печати пластиковых запоминающих устройств EETimes, 22 сентября 2009 г.
  15. ^ Все готово для массового производства печатных запоминающих устройств Printed Electronics World, 12 апреля 2010 г.
  16. ^ Thin Film Electronics планирует предоставить печатную электронику «Память повсюду», май 2010 г.
  17. ^ Крессманн, Р. (2001). «Новый пьезоэлектрический полимер для воздушных и водных звуковых преобразователей». J. Acoust. Soc. Am . 109 (4): 1412–6. Bibcode : 2001ASAJ..109.1412K. doi : 10.1121/1.1354989. PMID  11325112.
  18. ^ Бауэр, Зигфрид; Герхард-Мультхаупт, Реймунд; Сесслер, Герхард М. (2004). «Сегнетоэлектреты: мягкие электроактивные пены для преобразователей». Physics Today . 57 (2): 37–43. Bibcode : 2004PhT....57b..37B. doi : 10.1063/1.1688068. ISSN  0031-9228.