Сегнетоэлектрический полимер
Сегнетоэлектрические полимеры [1] [2] представляют собой группу кристаллических полярных полимеров , которые также являются сегнетоэлектриками , что означает, что они поддерживают постоянную электрическую поляризацию , которую можно изменить или переключить во внешнем электрическом поле .
Сегнетоэлектрические 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]
Фон
[ редактировать ]Впервые о сегнетоэлектрических полимерах было сообщено в 1971 году. Они представляют собой полимерные цепи, которые должны проявлять сегнетоэлектрические свойства. [4] следовательно, пьезоэлектрический [3] и пироэлектрическое поведение. [3]
Сегнетоэлектрический полимер должен иметь постоянную электрическую поляризацию, которую можно неоднократно менять на противодействующее электрическое поле. [4] В полимере диполи могут быть ориентированы случайным образом, но приложение электрического поля выровняет диполи, что приведет к сегнетоэлектрическому поведению. Чтобы этот эффект произошел, материал должен иметь температуру ниже температуры Кюри . [5] Выше температуры Кюри полимер демонстрирует параэлектрическое поведение, которое не допускает сегнетоэлектрического поведения, поскольку электрические поля не выравниваются.
Следствием сегнетоэлектрического поведения является пьезоэлектрическое поведение, при котором полимер будет генерировать электрическое поле при приложении напряжения или менять форму при приложении электрического поля. Это рассматривается как сжатие или изменение конформации полимера в электрическом поле; или путем растяжения и сжатия полимера измерить генерируемые электрические поля. Пироэлектрическое поведение возникает из-за изменения температуры, вызывающего электрическое поведение материала. Хотя для сегнетоэлектрического полимера требуется только сегнетоэлектрическое поведение, современные сегнетоэлектрические полимеры демонстрируют пироэлектрическое и пьезоэлектрическое поведение. [3]
Чтобы иметь электрическую поляризацию, которую можно обратить вспять, сегнетоэлектрические полимеры часто являются кристаллическими, как и другие сегнетоэлектрические материалы. [5] Сегнетоэлектрические свойства происходят от электретов, которые определяются как диэлектрическое тело, которое поляризуется при приложении электрического поля и тепла. Сегнетоэлектрические полимеры отличаются тем, что поляризации подвергается все тело, и требование тепла не является необходимым. Хотя они и отличаются от электретов, их часто называют электретами. [2] Сегнетоэлектрические полимеры попадают в категорию сегнетоэлектрических материалов, известную как «порядок-беспорядок». [4] материал. Этот материал претерпевает переход от случайно ориентированных диполей, которые являются параэлектрическими, к упорядоченным диполям, которые становятся сегнетоэлектриками.
После открытия ПВДФ начались поиски многих других полимеров, обладающих сегнетоэлектрическими, пьезоэлектрическими и пироэлектрическими свойствами. Первоначально были обнаружены различные смеси и сополимеры ПВДФ, такие как поливинилиденфторид с поли(метилметакрилатом) . [2]
Было обнаружено, что другие структуры обладают сегнетоэлектрическими свойствами, например, политрифторэтилен. [6] и нейлон с нечетным номером. [2] [7] [8]
История
[ редактировать ]
Концепция сегнетоэлектричества была впервые открыта в 1921 году. Это явление начало играть гораздо большую роль в электронных приложениях в 1950-х годах после более широкого использования BaTiO 3 . Этот сегнетоэлектрик является частью кислородной октаэдрической структуры с общими углами, но сегнетоэлектрики также можно разделить на три другие категории. К этим категориям относятся органические полимеры, керамические полимерные композиты и соединения, содержащие радикалы с водородными связями. Лишь в 1969 году Каваи впервые наблюдал пьезоэлектрический эффект в полимере поливинилиденфторид. Два года спустя было сообщено о сегнетоэлектрических свойствах того же полимера. На протяжении 1970-х и 1980-х годов эти полимеры применялись для хранения и поиска данных. Впоследствии за последнее десятилетие произошел огромный рост в изучении материаловедения, физики и технологии поливинилиденфторида и других фторированных полимеров. Сополимер ПВДФ с трифторэтиленом и нейлонами с нечетными номерами был дополнительными полимерами, которые, как было обнаружено, являются сегнетоэлектриками. Это послужило толчком к развитию ряда приложений в области пьезоэлектричества и пироэлектричества.
Поливинилиденфторид
[ редактировать ]Синтез
[ редактировать ]Поливинилидинфторид получают радикальной полимеризацией винилидинфторида .
Исследование структуры
[ редактировать ]Для минимизации потенциальной энергии цепей, возникающей в результате внутренних стерических и электростатических взаимодействий, в цепочке ПВДФ происходит вращение вокруг одинарных связей. Существует два наиболее выгодных варианта торсионной связи: транс ( t ) и гош. ± ( г ± ). В случае «t» заместители расположены под углом 180° друг к другу. В случае «г. ± », заместители расположены 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, и цепи можно стабилизировать в благоприятных конформациях, отличных от конформаций с наименьшей энергией. Три известные конформации ПВДФ — полностью транс, tg + тг − и тттг + тттг − . Первые две конформации являются наиболее распространенными и показаны на рисунке справа. В ТГ + тг − конформации наклон диполей к оси цепочки приводит к полярным компонентам обоих перпендикуляров (4,0 × 10 −30 см за раппорт) и параллельно цепочке (3,4×10 −30 см за повтор). В полностью транс-структуре все ее диполи ориентированы в одном направлении, перпендикулярном оси цепи. Таким образом, можно ожидать, что полностью транс является наиболее высокополярной конформацией в ПВДФ (7,× 10 −30 см за повтор). Эти полярные конформации являются решающими факторами, которые приводят к сегнетоэлектрическим свойствам. [3]
Текущие исследования
[ редактировать ]Сегнетоэлектрические полимеры и другие материалы нашли применение во многих областях, но в настоящее время продолжаются передовые исследования. Например, проводятся исследования новых сегнетоэлектрических полимерных композитов с высокими диэлектрическими проницаемостями. Сегнетоэлектрические полимеры, такие как поливинилиденфторид и поли[(винилиденфторид-ко-трифторэтилен), очень привлекательны для многих применений, поскольку они обладают хорошими пьезоэлектрическими и пироэлектрическими откликами и низким акустическим сопротивлением , которое соответствует воде и человеческой коже. с учетом различных требований. Распространенным подходом к повышению диэлектрической проницаемости является диспергирование керамического порошка с высокой диэлектрической проницаемостью в полимерах. Популярными керамическими порошками являются комплексы на основе свинца. PbTiO 3 и Pb(Zr,Ti)O 3 . Это может быть невыгодно, поскольку свинец может быть потенциально вредным, а при высокой нагрузке частиц полимеры теряют гибкость и получается композит низкого качества. Современные достижения используют процедуру смешивания для создания композитов, основанных на простой комбинации ПВДФ и дешевых металлических порошков. В частности, для изготовления композитов использовались порошки Ni. Диэлектрическая проницаемость увеличилась со значений менее 10 до примерно 400. Такое большое увеличение объясняется теорией перколяции . [9]
Эти сегнетоэлектрики 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. Пьезолюминесценцию искали в пьезоэлектрических материалах. [11]
Полезно различать несколько режимов типичной кривой растяжения твердого материала. Три режима кривой напряжения-деформации включают упругий, пластический и разрушение. Свет, излучаемый в упругом режиме, известен как пьезолюминесценция. На рис. 7 представлена общая кривая растяжения-деформации.
Эти типы полимеров сыграли роль в биомедицинских и робототехнических приложениях, а также в жидкокристаллических полимерах. В 1974 году Р.Б. Мейер предсказал сегнетоэлектричество в киральных смектических жидких кристаллах на основе условий чистой симметрии. Вскоре после этого Кларк и Лагервалл провели работу по быстрому электрооптическому эффекту в структуре сегнетоэлектрических жидких кристаллов со стабилизированной поверхностью (SSFLC). Это открыло многообещающие возможности технического применения сегнетоэлектрических жидких кристаллов в устройствах отображения высокой информации. Благодаря прикладным исследованиям было показано, что структура SSFLC имеет более быстрое время переключения и поведение бистабильности по сравнению с обычно используемыми нематическими жидкокристаллическими дисплеями. В тот же период были синтезированы первые жидкокристаллические полимеры с боковой цепью (ЖКЛЦП). Эти гребнеобразные полимеры имеют мезогенные боковые цепи, которые ковалентно связаны (через гибкие прокладки) с основной цепью полимера. Наиболее важной особенностью SCLCP является их стекловидное состояние. Другими словами, эти полимеры имеют «замороженное» упорядоченное состояние вдоль одной оси при охлаждении ниже их температуры. температура стеклования . Это выгодно для исследований в области нелинейной оптики и оптических устройств хранения данных. Недостаток заключается в том, что эти SCLCP имеют медленное время переключения из-за высокой вращательной вязкости .
Приложения
[ редактировать ]Энергонезависимая память
[ редактировать ]Сегнетоэлектрические свойства проявляют петлю поляризации-электрического поля- гистерезиса , которая связана с «памятью». Одним из применений 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 пленок LB и более традиционных пленок, полученных с помощью растворителей, показывают, что сополимеры VDF (состоящие из 70% винилиденфторида (VDF) и 30% трифторэтилена (TrFE)) являются многообещающими материалами для энергонезависимой памяти. Устройство выполнено в виде емкостной памяти металл-сегнетоэлектрик-диэлектрик-полупроводник (МФИС). Результаты показали, что пленки LB могут обеспечить работу устройств при низком напряжении. [12]
В 2009 году компания Thin Film Electronics успешно продемонстрировала с рулона на рулон, напечатанную энергонезависимую память, на основе сегнетоэлектрических полимеров. [13] [14] [15] [16]
Датчики
[ редактировать ]Сегнетоэлектрический эффект всегда связывает различные силы с электрическими свойствами, которые можно применять в преобразователях . Гибкость и низкая стоимость полимеров облегчают применение сегнетоэлектрических полимеров в преобразователях. Конструкция устройства проста, обычно оно состоит из куска сегнетоэлектрической пленки с электродом наверху. и нижние поверхности. Контакты к двум электродам завершают конструкцию. [17]
Датчики
[ редактировать ]Когда устройство действует как датчик , механическая или акустическая сила, приложенная к одной из поверхностей, вызывает сжатие материала. За счет прямого пьезоэлектрического эффекта между электродами создается напряжение.
Приводы
[ редактировать ]В приводах напряжение, приложенное между электродами, вызывает деформацию пленки за счет обратного пьезоэлектрического эффекта.
мягкие преобразователи в виде пенопластов из сегнетоэлектрических полимеров имеют большой потенциал. Доказано, что [18]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Сегнетоэлектрические свойства сополимеров винилиденфторида», Т. Фурукава, в «Фазовые переходы» , Vol. 18 , стр. 143–211 (1989).
- ^ Перейти обратно: а б с д Налва, Х. (1995). Сегнетоэлектрические полимеры (Первое изд.). Нью-Йорк: Марсель Деккер, INC. ISBN 0-8247-9468-0 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Ловинджер, Эй Джей (1983). «Сегнетоэлектрические полимеры». Наука . 220 (4602): 1115–1121. Бибкод : 1983Sci...220.1115L . дои : 10.1126/science.220.4602.1115 . ПМИД 17818472 . S2CID 45870679 .
- ^ Перейти обратно: а б с Поульсен, М.; Дюшарм, С.. (2010). «Почему сегнетоэлектрический поливинилиденфторид особенный» . Транзакции IEEE по диэлектрикам и электроизоляции . 17 (4): 1028–1035. дои : 10.1109/TDEI.2010.5539671 . S2CID 35285042 .
- ^ Перейти обратно: а б Аткинс, П. (2006). «23». Неорганическая химия . Овертон, Рурк, Веллер, Армстронг (Четвертое изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. стр. 609–610. ISBN 0-7167-4878-9 .
- ^ Таширо, К.; Такано, К.; Кобаяши, М.; Чатани, Ю.; Тадокоро, Х. (2011). «Структурное исследование сегнетоэлектрического фазового перехода сополимеров винилиденфторида и трифторэтилена (III) в зависимости переходного поведения от мольного содержания ВДФ». Сегнетоэлектрики . 57 (1): 297–326. дои : 10.1080/00150198408012770 . ISSN 0015-0193 .
- ^ Налва, HS (1991). «Последние разработки в области сегнетоэлектрических полимеров». Дж. Макромоль. наук. Преподобный Макромол. хим. Физ . 29 (4): 341. дои : 10.1080/15321799108021957 .
- ^ Кеплер, Р.Г.; Андерсон, РА (1992). «Сегнетоэлектрические полимеры» . Достижения физики . 41 (1): 1–57. Бибкод : 1992AdPhy..41....1K . дои : 10.1080/00018739200101463 . ISSN 0001-8732 .
- ^ Данг, Чжи-Мин; Се-Вэнь Нан (2003). «Новые сегнетоэлектрические полимерные композиты с высокими диэлектрическими проницаемостями». Продвинутые материалы . 15 (19). Университет Цинхуа: Связь: 1625–1628 гг. Бибкод : 2003AdM....15.1625D . дои : 10.1002/adma.200304911 . S2CID 95213295 .
- ^ Бауэр, Франсуа (2002). «Сегнетоэлектрические полимеры для датчиков высокого давления и ударного сжатия». Мат. Рез. Соц. Симпозиум . 698 . Общество исследования материалов.
- ^ Рейнольдс, Джордж (1997). «Пьезолюминесценция сегнетоэлектрического полимера и кварца». Журнал люминесценции . 75 (4). Принстон: 295–299. Бибкод : 1997JLum...75..295R . дои : 10.1016/S0022-2313(97)00134-8 .
- ^ Дюшарм, Д.; Рис, Ти Джей; Отон, CM; Раннов, РК (2005). «Сегнетоэлектрические полимерные пленки Ленгмюра-Блоджетт для энергонезависимой памяти» . Транзакции IEEE по надежности устройств и материалов . 5 (4): 720–733. дои : 10.1109/TDMR.2005.860818 . S2CID 36022494 .
- ^ Thinfilm и InkTec награждены наградой IDTechEx за техническое развитие производства IDTechEx, 15 апреля 2009 г.
- ^ PolyIC и ThinFilm объявляют о пилотном выпуске объемной печатной пластиковой памяти EETimes, 22 сентября 2009 г.
- ^ Все готово для крупносерийного производства печатных запоминающих устройств Printed Electronics World, 12 апреля 2010 г.
- ^ Тонкопленочная электроника планирует обеспечить печатную электронику с «памятью повсюду» сейчас, май 2010 г.
- ^ Крессманн, Р. (2001). «Новый пьезоэлектрический полимер для преобразователей воздушного и водного звука». Дж. Акуст. Соц. Являюсь . 109 (4): 1412–6. Бибкод : 2001ASAJ..109.1412K . дои : 10.1121/1.1354989 . ПМИД 11325112 .
- ^ Бауэр, Зигфрид; Герхард-Мультаупт, Реймунд; Сесслер, Герхард М. (2004). «Фероэлектреты: мягкие электроактивные пены для преобразователей». Физика сегодня . 57 (2): 37–43. Бибкод : 2004ФТ....57б..37Б . дои : 10.1063/1.1688068 . ISSN 0031-9228 .