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CN106009009A - 一种具有高极化强度的有机铁电薄膜的制备方法 - Google Patents

一种具有高极化强度的有机铁电薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的具有高极化强度的有机铁电薄膜的制备方法，以PbTiO3纳米片和PVDF‑TrFE作为主要原料，首先将PVDF‑TrFE溶于四氢呋喃中，然后加入适量的PbTiO3纳米片得到悬浊液；通过超声波处理，使PbTiO3纳米片均匀地分散于溶液中，利用旋涂的方法将其旋涂在洁净的基底上均匀成膜，再在180℃下进行热处理。本发明制备工艺简单、过程易于控制，所制备的有机铁电薄膜具有取向的微纳结构，同时还具有优良的电学性能，剩余极化高达12.4μC/cm2。

Description

一种具有高极化强度的有机铁电薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种有机铁电薄膜的制备方法，属于有机铁电高分子材料领域。
背景技术
传统的陶瓷材料具有非常高的铁电剩余极化，但是制备工艺复杂、易脆且铁电损耗较大。有机聚合物柔韧性好、铁电损耗低且易于加工。PVDF-TrFE（聚偏二氟乙烯-三氟乙烯）作为一类有机铁电可以广泛应用于能量捕获器、热释电红外探测器以及非挥发性存储器等，具有优良的电学性能和广阔的应用前景。与传统的无机钙钛矿相铁电材料相比，PVDF-TrFE的剩余极化较低（6 μC/cm2左右），限制了其在电子器件材料上的应用，因此，通过不同方法对PVDF-TrFE进行改性，提高其电学性能（介电、铁电、压电、热释电性能等），可以进一步拓宽PVDF-TrFE的应用领域。
PVDF-TrFE的自发极化强度接近6 μC/cm2,在室温下的铁电系数d33约为-38pm/V,并且由于其极好的生物兼容性,在能量获取和生物传感方面都有很大的潜在应用价值。目前对有PVDF-TrFE的改性研究有纳米限域法、极性溶剂法、模板法、外延生长等方法，但是这些方法虽然在一定程度上可以控制结构的取向，但是其电学性能并没有提高很多。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高极化强度的有机铁电薄膜的制备方法。
本发明的具有高极化强度的有机铁电薄膜制备方法，包括以下步骤：
1) 将基底依次置于去离子水、丙酮、无水乙醇中超声清洗，烘干；
2) 将PVDF-TrFE溶于四氢呋喃，得到PVDF-TrFE的四氢呋喃溶液，PVDF-TrFE与四氢呋喃的质量/体积比为1/20；
3) 将PbTiO3纳米片置于步骤2）所得的PVDF-TrFE的四氢呋喃溶液中， PbTiO3纳米片与PVDF-TrFE的四氢呋喃溶液的质量/体积比为0.2%-5.0%，搅拌，得到悬浊液；
4) 超声波处理步骤3）所得的悬浊液，使PbTiO3纳米片均匀地分散在PVDF-TrFE的四氢呋喃溶液中，静置20-40 min后，采用旋涂的方法将其旋涂到洁净的基底上，得到薄膜；
5) 将步骤4）所得到的薄膜真空干燥，于180℃热处理0.5-2h。
本发明中，所述的基底可以是ITO或Si基底。
本发明中，所述的四氢呋喃、丙酮、无水乙醇的纯度均不低于化学纯。
本发明中，所述的PbTiO3纳米片为单晶单畴结构。
单晶单畴结构的PbTiO3纳米片可参考浙江大学博士论文——《钙钛矿铁电氧化物纳米结构的生长调控、微结构与性能研究，作者为钞春英》制备方法获得。
本发明制备工艺简单、过程易于控制，薄膜的厚度与静置时间和旋涂参数有关，所制备的有机铁电薄膜厚度在0.8 μm-1 μm，具有取向的微纳结构，同时还具有优良的电学性能，剩余极化高达12.4μC/cm2。
附图说明
图1是实例1所制备的有机铁电薄膜的掠入射XRD图谱；
图2是实例1所制备的有机铁电薄膜的GIWAXS图；
图3是实例1所制备的有机铁电薄膜的AFM图；
图4是实例1所制备的有机铁电薄膜的铁电性能图。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
1）将ITO基底依次在去离子水、丙酮、无水乙醇中超声清洗，然后利用红外灯烘干；
2) 将1g的PVDF-TrFE溶于20 mL四氢呋喃，得到PVDF-TrFE的四氢呋喃溶液；
3) 将0.002g 的PbTiO3纳米片置于步骤2）所得的溶液中，PbTiO3纳米片与PVDF-TrFE的四氢呋喃溶液的质量/体积比为0.2%，搅拌，得到悬浊液；
4)超声波处理步骤3）所得的悬浊液，使PbTiO3纳米片均匀地分散在PVDF-TrFE的四氢呋喃溶液中，静置20 min后，将其旋涂（1500 rpm, 30 s）到洁净的ITO基底上，得到薄膜；
5）将步骤4）所得到的薄膜真空干燥，于180℃热处理1h。
本例所制备的有机铁电薄膜的厚度为0.8 μm，其掠入射XRD图谱示于图1,GIWAXS图示于图2，由图1、图2可见，有机铁电薄膜具有取向的微纳结构。AFM图示于图3，由图3可见，得到的有机铁电薄膜由结晶良好的棒状晶体组成。通过Radiant的铁电测试仪测试，铁电性能图示于图4，由图可见剩余极化为12.4μC/cm2。
实施例2
具体的工艺步骤与实施例1相同，区别在于步骤3）称取的PbTiO3纳米片为0.005g , PbTiO3纳米片与PVDF-TrFE的四氢呋喃溶液的质量/体积比为0.5%，步骤4）静置时间为40 min，步骤5）热处理时间为0.5小时。本例所制备的有机铁电薄膜的剩余极化为10μC/cm2。
实施例3
具体的工艺步骤与实施例1相同，区别在于：采用Si基底，步骤3）称取的PbTiO3纳米片为0.0527g , PbTiO3纳米片与PVDF-TrFE的四氢呋喃溶液的质量/体积比为5.0%，步骤4）静置时间为30 min，步骤5）热处理时间为2小时，本例所制备的有机铁电薄膜的剩余极化为8μC/cm2。

Claims (4)

1.一种具有高极化强度的有机铁电薄膜制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1) 将基底依次置于去离子水、丙酮、无水乙醇中超声清洗，烘干；
2) 将PVDF-TrFE溶于四氢呋喃，得到PVDF-TrFE的四氢呋喃溶液，PVDF-TrFE与四氢呋喃的质量/体积比为1/20；
3) 将PbTiO3纳米片置于步骤2）所得的PVDF-TrFE的四氢呋喃溶液中， PbTiO3纳米片与PVDF-TrFE的四氢呋喃溶液的质量/体积比为0.2%-5.0%，搅拌，得到悬浊液；
4) 超声波处理步骤3）所得的悬浊液，使PbTiO3纳米片均匀地分散在PVDF-TrFE的四氢呋喃溶液中，静置20-40 min后，采用旋涂的方法将其旋涂到洁净的基底上，得到薄膜；
5) 将步骤4）所得到的薄膜真空干燥，于180℃热处理0.5-2h。
2.根据权利要求1所述的具有高极化强度的有机铁电薄膜的制备方法，其特征是所述的基底是ITO或Si基底。
3.根据权利要求1所述的具有高极化强度的有机铁电薄膜的制备方法，其特征是所述的PbTiO3纳米片为单晶单畴结构。
4.根据权利要求1所述的具有高极化强度的有机铁电薄膜的制备方法，其特征是所述的四氢呋喃、丙酮、无水乙醇的纯度均不低于化学纯。
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