本发明专利技术公开了一种高横向效应织构化压电聚合物薄膜及其制备方法。本发明专利技术基于对溶液法制备的薄膜的非等温结晶过程控制，实现其分子偶极矩的择优取向，从而制备出分子偶极沿薄膜平面择优排列的织构化结构压电聚合物薄膜。该压电聚合物薄膜具有横向压电效应大于未经织构化处理相应同组分薄膜的横向压电效应的特点，可用于制备高横向压电效应的传感器，并在柔性纳米发电系统、新型能量收集系统等领域有良好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压电聚合物和压电器件领域，具体涉及。
技术介绍
柔性压电材料种类较少，主要是具有铁电性的β相结构含氟聚合物聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE))。该类材料因具有重量轻、柔韧性好、可大面积成膜及低温制备等无机压电材料无法比拟的诸多优点，在特种声学换能器、传感器、纳米电机和储能系统等中具有广阔应用。聚合物具有多构型、多构象及部分结晶性等复杂结构特性。织构是指晶体材料的晶格沿着特定方向择优排列的结构现象，对于结晶性聚合物来说，织构是指分子具有择优取向的结构。压电聚合物的宏观压电性源于分子偶极的定向排列，因此分子偶极的取向对聚合物的压电性有至关重要的影响。织构化的聚合物具有很多物理特性，如各向异性。织构化的压电聚合物在特定方向的压电铁电效应会明显增强，该特性可用于相关器件性能的优化以及新器件的设计制备。制备织构化或分子择优取向聚合物的方法可粗略分为三类:机械法(如应力和摩擦转换等)、物理法(如高压电纺丝等)和物理化学法(如界面作用和控制结晶等)。例如，通过高压电纺丝的物理方法制备的偶极矩沿轴向择优取向的PVDF纤维可用于制备柔性纳米电机(Nano Energy, Vol.1,PP.356?371)。然而，压电聚合物在各种换能器和传感器中更多地需制成薄膜使用，这些机械方法及物理方法不适合很多压电薄膜器件如加速度器等的制备。第三类物理化学方法具有设备简单、易于操作、易于与器件制作集成等诸多优点，然而该类方法用于制备织构化压电聚合物薄膜的研究未见报道。因此，根据性能需要控制分子沿所需方向择优取向的织构化压电聚合物薄膜，对改善特定方向压电性、提高材料性能及优化器件设计有重要意义。而通过物理化学方法制备织构化的压电聚合物薄膜，则具有设备简单、操作简便、易于工业化等优点。
技术实现思路
本专利技术提供了一种具有高横向效应的织构化压电聚合物薄膜，可用于改进现有压电薄膜器件的特定性能和新器件设计制备。本专利技术还提供了一种通过溶液沉积和非等温结晶过程控制的高横向效应织构化压电聚合物薄膜的简单制备方法。本专利技术提出的高横向效应织构化压电聚合物薄膜，所述的压电聚合物薄膜的厚度为50nm?2 μ m，该薄膜由聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物制成，其中所述的聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物中偏二氟乙烯的摩尔含量为50%?82%，优选为65%?80%。所述的织构化压电聚合物薄膜的制备方法，包括以下步骤:(I)将聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物P (VDF-TrFE)溶解在有机溶剂中，得到浓度为1.0wt%?10.0wt%的溶液,优选为2.0wt%?6.0wt其中所述的聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物中偏二氟乙烯的摩尔含量为50 %?82 %，优选为65 %?80 %，且所述的有机溶剂为聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物的良溶剂；(2)将待旋涂压电聚合物薄膜的无机基片或有机基片依次于异丙醇、丙酮、去离子水或无水乙醇二者之一中超声清洗，也可采用其它常用清洗剂及清洗方式清洗。然后将清洗后的基片置于匀胶机转盘上，真空吸附固定基片后，用氮气(N2)吹干基片，也可采用其它常用惰性气体，如氩气(Ar)等，但不仅限于此；(3)将步骤(I)中得到的待旋涂溶液滴加至步骤(2)中吹干后的基片上，以特定旋涂转速和旋涂时间旋涂薄膜，旋涂转速为1000?2000r/min，旋涂时间为30?240s ；(4)将步骤(3)中旋涂后得到的薄膜样品置于加热台上，在薄膜的熔融温度(Tni)以上进行退火处理，退火温度为145?160°C，退火时间为15?240min ；(5)退火完毕后，将步骤(4)中所得薄膜立刻放置于室温环境进行冷却，在此过程中聚合物进行非等温结晶形成具有平躺片晶的高横向效应织构化压电聚合物薄膜。在上述制备步骤中，步骤(I)所述P (VDF-TrFE)的良溶剂为能够溶解P (VDF-TrFE)的有机溶剂，是单一溶剂或混合溶剂，其中的单一溶剂选自丙酮(PA)、丁酮(MEK)、环己酮(CYC)及二甲基甲酰胺(DMF)等有机溶剂中的一种，优选为MEK或CYC，但不仅限于此；所述混合溶剂为由上述单一溶剂中的两种或以上组成的混合溶剂，但不仅限于此。在上述制备步骤中，步骤(2)所述无机基片或有机基片为非导电基片或导电基片，选自高阻Si片、低阻Si片、镀金Si片(Si/Au)、镀钼Si片(Si/Pt)、镀钽Si片(Si/Ta)、镀钛Si片(Si/Ti)、玻璃、ITO玻璃、聚酰亚胺基片(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯基片(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯基片(PMMA)、覆ITO的聚酰亚胺基片(ΡΙ/ΠΟ)、覆ITO的聚对苯二甲酸乙二醇酯基片(ΡΕΤ/ΙΤ0)及覆ITO的聚甲基丙烯酸甲酯基片(ΡΜΜΑ/ΙΤ0)等基片中的一种，但不仅限于此。在上述制备步骤中，步骤(3)的薄膜制备方法也可以是简单浇注的溶液方法。对于厚度大于200nm的薄膜也可以步骤(3)或以步骤(3)?(5)为周期进行重复操作而得到，其中的旋涂溶液浓度、旋涂转速、旋涂时间、退火温度、退火时间在每个周期内可做调整。本专利技术提供的织构化压电聚合物薄膜，其横向压电效应大于未经织构化处理相应同组分薄膜的横向压电效应，在各种需要高横向压电效应的压电薄膜器件中具有良好应用前景。本专利技术同时提供的该高横向效应压电聚合物薄膜的制备方法，具有设备简单，操作简便，易于生产等优点。【附图说明】图1、150°C退火处理得到的厚度约10nm的高横向效应织构化压电P(VDF-TrFE)(VDF的摩尔含量为70% )薄膜的原子力显微镜(AFM)形貌图。图2、150°C退火处理得到的厚度约10nm的高横向效应织构化压电P(VDF-TrFE)(VDF的摩尔含量为70% )薄膜的横向压电力显微术(PFM)振幅图。图3、150°C退火处理得到的厚度约10nm的高横向效应织构化压电P(VDF-TrFE)(VDF的摩尔含量为70% )薄膜的横向压电响应变化蝴蝶曲线。图4、150°C退火处理得到的厚度约10nm的高横向效应织构化压电P(VDF-TrFE)(VDF的摩尔含量为70% )薄膜的纵向PFM振幅图。图5、150°C退火处理得到的厚度约10nm的高横向效应织构化压电P(VDF-TrFE)(VDF的摩尔含量为70% )薄膜的纵向压电响应变化蝴蝶曲线。图6、未经非等温结晶处理的厚度约10nm P (VDF-TrFE) (VDF的摩尔含量为70% )薄膜的AFM形貌图。图7、未经非等温结晶处理的厚度约10nm P (VDF-TrFE) (VDF的摩尔含量为70% )薄膜的横向PFM振幅图。图8、未经非等温结晶处理的厚度约10nm P (VDF-TrFE) (VDF的摩尔含量为70% )薄膜的横向压电响应变化蝴蝶曲线。图9、未经非等温结晶处理的厚度约10nm P (VDF-TrFE) (VDF的摩尔含量为70% )薄膜的纵向PFM振幅图。图10、未经非等温结晶处理的厚度约10nm P (VDF-TrFE) (VDF的摩尔含量为70% )薄膜的纵向压电响应变化蝴蝶曲线。与普通薄膜的压电响应变化蝴蝶曲线(图8和图10)对比可以看出，织构化的薄膜具有明显提高的横向压电响应(图3和图5)，并且伴随纵向压电响应的降低。曲线所反应本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高横向效应织构化压电聚合物薄膜，其特征在于，所述的压电聚合物薄膜由聚偏二氟乙烯‑三氟乙烯共聚物制成，其中所述的聚偏二氟乙烯‑三氟乙烯共聚物中偏二氟乙烯的摩尔含量为50％～82％。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郭栋，王云丽，陈小随，张翠红，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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