一种pvdf基高压电系数薄膜的制备方法
【专利摘要】本发明公开一种PVDF基高压电系数薄膜的制备方法。其特征在于，将PVDF基有机铁电聚合物溶入二甲基亚砜溶液中，通过朗缪尔-布罗基特方法，逐层交替地将不同的PVDF基有机铁电聚合物转移至衬底上，经过退火处理，去除界面残留溶剂及保证薄膜具有良好结晶特性，形成一种PVDF基有机聚合物复合结构。本发明制备PVDF基高压电系数薄膜结构，方法及工艺简单，可精确控制单层薄膜厚度，为研究PVDF基有机铁电聚合物复合结构的压电性能提供了保证。实验发现，PVDF基有机铁电聚合物复合结构的压电系数得到显著提高。
【专利说明】—种PVDF基高压电系数薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高压电系数有机聚合物复合薄膜的制备技术，具体指一种基于聚偏氟乙烯基有机铁电聚合物多层膜结构的制备方法。
【背景技术】
[0002]铁电材料，是一类在某温度范围内具有自发极化，而且自发极化强度随外电场变化而变化的一类材料是近年来研究的一类热点材料。近年来，基于聚偏二氟乙烯(简称为PVDF)，聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物(简称P (VDF-TrFE))是一种性能优良的铁电、压电聚合物材料，可以被广泛应用于能量传导，信息存储以及红外探测的功能材料。其压电性能主要用于机械能-电能转换，在军事上利用压电聚合物的特点，研制运用其他现行技术难以实现的、而且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统等。压电聚合物由于无毒无害，还可以运用于生物医学传感领域，尤其是超声成像中，获得了最为成功的运用。
[0003]Zhang等发现铁电聚合物P (VDF-TrFE)经过电子辐照后具有弛豫特性，并且其压电性能获得提升(Science 280, 2101-2104 (1998).) 0随后，一种新型的有机弛豫铁电聚合物聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯三聚物P (VDF-TrFE-CFE)成功研制。相比于铁电聚合物P (VDF-TrFE)，弛豫铁电聚合物表现出一系列的优良性能，如高介电常数、高压电系数、室温下高电卡系数等(Science 321，821-823 (2008).)。可运用于室温制冷器、压电传感器等。
[0004]由于不同种类的铁电材料层状复合结构能出现一些意想不到的奇异性能，如介电性能增强、铁电性能增强、出现反铁电性等，人们对铁电材料的复合结构的研究一直处于一个活跃状态。近年来，随着薄膜制备技术的发展，不同种类的铁电材料层状复合结构的报道也愈来愈多。如铁电材料BaT13和铁电材料SrT13B成的复合结构(Nature 433, 395 -399 (2005).)可以增强铁电极化特性。在铁电体PbT13和弛豫铁电体Pb (Mgl73Nb273)O3形成的层状复合薄膜中，出现了反铁电行为(Phys.Rev.B 74，184104 (2006))。铁电体PbT13和PbZrO3形成的层状复合薄膜的介电常数得到增强(Jpn.J.Appl.Phys.33，5272-5276(1994))。但对于有机铁电材料的复合结构的相关性能鲜有报道。
[0005]随着传感器和微机电器件的发展，现今对器件的性能提出了更高的要求。基于铁电材料复合层状结构的制备和物性，及其相关器件的研制，越来越多的受到广泛关注。本发明将基于PVDF基铁电聚合物为基础材料，发明一种基于LB技术制备于PVDF基铁电聚合物复合层状结构的工艺过程。实验结果显示，该方法制备的聚合物复合层状结构具有更优良的压电性能，其压电系数d33高达81.6pC/N,远远大于P(VDF-TrFE)的41pC/N及P(VDF-TrFE-CFE)的51.6pC/N。本方法制备工艺简单，可室温制备。
【发明内容】
[0006]本发明提出一种PVDF基高压电系数薄膜的制备方法，实现了高压电系数有机铁电聚合物薄膜复合结构的制备。
[0007]1.一种PVDF基高压电系数薄膜的制备方法。其特征包括以下步骤:
[0008](I)将衬底材料清洗干净保证其表面的平整度，并做表面疏水处理；
[0009](2)将不同PVDF基有机铁电聚合物溶液滴均匀铺入朗缪尔-布罗基特设备已经注入静置超纯水的液体槽中，待PVDF基有机铁电聚合物均匀分布在液面，并通过挤压成膜的液面，通过控制液面表面压力使薄膜成膜连续；
[0010](3)将连续薄膜通过水平转移朗缪尔-布罗基特方法转移至衬底上，通过交替转移不同PVDF基有机铁电聚合物薄膜，重复一定周期，并将生长的交替薄膜经过退火处理，薄膜的退火温度为110-135°C，维持4小时后，冷却至室温，便形成PVDF基高压电系数薄膜。
[0011]所述的衬底材料为石英玻璃，氧化物单晶，硅基片或有机薄膜材料，衬底的表面粗糙度低于3纳米。
[0012]所述的PVDF基有机铁电聚合物为:聚偏氟乙烯单聚物，聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物P (VDF-TrFE)或聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯三聚物P (VDF-TrFE-CFE)。
[0013]所述的PVDF基有机铁电聚合物溶液的溶剂为二甲基亚砜，其溶液浓度的质量百分含量为0.01%。
[0014]所述的超纯水的电阻为18.2兆欧姆，液面表面压控制在5毫牛顿每米。
[0015]本发明特点在于制备一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)的高压电系数薄膜，利用该方法制备的PVDF基高压电系数薄膜，其工艺简单，成本低，易于制备不同周期结构的高压电系数有机铁电聚合物薄膜。
【专利附图】
【附图说明】
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[0016]图1为PVDF基聚合物复合薄膜的制备示意图；
[0017]图2为采用本方法制备的PVDF基聚合物复合薄膜的压电性能表征图；图2中，I号曲线为PVDF基聚合物复合薄膜的压电曲线，2号和3号曲线分别为P(VDF-TrFE-CFE)薄膜和P (VDF-TrFE)薄膜的压电曲线。
【具体实施方式】
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[0018]下面将是结合附图1，表述本发明的具体实施方法，分为三个实施例进行具体表述。具体步骤依次为:
[0019]a，实施例1:
[0020]将衬底材料清洗干净保证其表面的平整度，并做表面疏水处理；衬底材料可为石英玻璃。运用硬脂酸铁在其表面反复擦拭，用脱脂棉擦去表面附着的硬脂酸铁残留，后用去离子水将石英玻璃衬底冲洗干净。
[0021 ] 将PVDF基聚合物P (VDF-TrFE)和PVDF基聚合物P (VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物分别溶于二甲基亚砜溶液中，其溶液浓度为质量百分含量为0.01%。
[0022]分别将P (VDF-TrFE)和P (VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物二甲基亚砜溶液均匀铺入两台朗缪尔-布罗基特设备已经注入静置超纯水的液体槽中，超纯水电阻为18.2兆欧姆，待有机铁电聚合物均匀分布在液面，并通过挤压成膜的液面，通过控制液面表面压力至5毫牛每米，使薄膜成膜连续；
[0023]其中所述超纯水电阻为18.2兆欧姆。
[0024]将连续薄膜通过水平转移朗缪尔-布罗基特方法转移至石英衬底上，通过交替转移P (VDF-TrFE)和P (VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物薄膜，并重复一定周期，可得到一定厚度的交替薄膜，并将生长的交替薄膜经过退火处理4小时，退火温度为110°C，冷却至室温，可形成PVDF基有机铁电聚合物超晶格结构。b，实施例2:
[0025]将衬底材料清洗干净保证其表面的平整度，并做表面疏水处理；衬底材料可为石英玻璃。运用硬脂酸铁在其表面反复擦拭，用脱脂棉擦去表面附着的硬脂酸铁残留，后用去离子水将石英玻璃衬底冲洗干净。
[0026]将PVDF基聚合物P (VDF-TrFE)和PVDF基聚合物P (VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物分别溶于二甲基亚砜溶液中，其溶液浓度为质量百分含量为0.01%。
[0027]分别将P (VDF-TrFE)和P (VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物二甲基亚砜溶液均匀铺入两台朗缪尔-布罗基特设备已经注入静置超纯水的液体槽中，超纯水电阻为18.2兆欧姆，待有机铁电聚合物均匀分布在液面，并通过挤压成膜的液面，通过控制液面表面压力至5毫牛每米，使薄膜成膜连续；
[0028]其中所述超纯水电阻为18.2兆欧姆。
[0029]将连续薄膜通过水平转移朗缪尔-布罗基特方法转移至石英衬底上，通过交替转移P (VDF-TrFE)和P (VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物薄膜，并重复一定周期，可得到一定厚度的交替薄膜，并将生长的交替薄膜经过退火处理4小时，退火温度为135°C，冷却至室温，可形成PVDF基有机铁电聚合物超晶格结构。C，实施例3:
[0030]将衬底材料清洗干净保证其表面的平整度，并做表面疏水处理；衬底材料可为石英玻璃。运用硬脂酸铁在其表面反复擦拭，用脱脂棉擦去表面附着的硬脂酸铁残留，后用去离子水将石英玻璃衬底冲洗干净。
[0031 ] 将PVDF基聚合物P (VDF-TrFE)和PVDF基聚合物P (VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物分别溶于二甲基亚砜溶液中，其溶液浓度为质量百分含量为0.01%。
[0032]分别将P (VDF-TrFE)和P (VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物二甲基亚砜溶液均匀铺入两台朗缪尔-布罗基特设备已经注入静置超纯水的液体槽中，超纯水电阻为18.2兆欧姆，待有机铁电聚合物均匀分布在液面，并通过挤压成膜的液面，通过控制液面表面压力至5毫牛每米，使薄膜成膜连续；
[0033]其中所述超纯水电阻为18.2兆欧姆。
[0034]将连续薄膜通过水平转移朗缪尔-布罗基特方法转移至石英衬底上，通过交替转移P (VDF-TrFE)和P (VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物薄膜，并重复一定周期，可得到一定厚度的交替薄膜，并将生长的交替薄膜经过退火处理4小时，退火温度为120°C，冷却至室温，可形成PVDF基有机铁电聚合物超晶格结构。
【权利要求】
1.一种PVDF基高压电系数薄膜的制备方法，其特征包括以下步骤: (1)将衬底材料清洗干净保证其表面的平整度，并做表面疏水处理； (2)将不同PVDF基有机铁电聚合物溶液滴均匀铺入朗缪尔-布罗基特设备已经注入静置超纯水的液体槽中，待PVDF基有机铁电聚合物均匀分布在液面，并通过挤压成膜的液面，通过控制液面表面压力使薄膜成膜连续； (3)将连续薄膜通过水平转移朗缪尔-布罗基特方法转移至衬底上，通过交替转移不同PVDF基有机铁电聚合物薄膜，重复一定周期，并将生长的交替薄膜经过退火处理，薄膜的退火温度110-135°C，维持4小时后，冷却至室温，便形成PVDF基高压电系数薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种PVDF基高压电系数薄膜的制备方法，其特征在于，所述的衬底材料为石英玻璃，氧化物单晶，硅基片或有机薄膜材料，衬底的表面粗糙度低于3纳米。
3.根据权利要求1所述的一种PVDF基高压电系数薄膜的制备方法，其特征在于，所述的PVDF基有机铁电聚合物为:聚偏氟乙烯单聚物，聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物P (VDF-TrFE)或聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯三聚物P (VDF-TrFE-CFE)。
4.根据权利要求1所述的一种PVDF基高压电系数薄膜的制备方法，其特征在于，所述的PVDF基有机铁电聚合物溶液的溶剂为二甲基亚砜，其溶液浓度的质量百分含量为0.01%。
5.根据权利要求1所述的一种PVDF基高压电系数薄膜的制备方法，其特征在于，所述的超纯水的电阻为18.2兆欧姆，液面表面压控制在5毫牛顿每米。
【文档编号】H01L41/45GK104409626SQ201410546469
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】赵晓林, 王建禄, 孟祥建, 孙硕, 沈宏, 韩莉, 孙璟兰, 褚君浩 申请人:中国科学院上海技术物理研究所