眾所周知,有機(jī)弛豫鐵電體已廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代先進(jìn)電子領(lǐng)域,如電致伸縮器件、儲(chǔ)能電容器、固態(tài)制冷和壓電傳感器等領(lǐng)域。在過(guò)去幾十年里,通常弛豫鐵電聚合物經(jīng)電子輻照獲得,經(jīng)電子輻照獲得的弛豫鐵電聚合物具有較大電致伸縮應(yīng)變(Science 2802101(1998))。隨后發(fā)現(xiàn),鐵電聚合物中出現(xiàn)的弛豫行為可能會(huì)誘導(dǎo)高儲(chǔ)能密度的電介質(zhì)(Science 313,334(2006))、電致熱效應(yīng)(Science 321,821(2008))和強(qiáng)壓電響應(yīng)(Nature 562,96(2018))。新的弛豫行為的發(fā)現(xiàn),增加了人們對(duì)聚合物弛豫行為的新認(rèn)識(shí)?,F(xiàn)今,探明弛豫鐵電聚合物構(gòu)象變化機(jī)理的主要挑戰(zhàn)來(lái)自于弛豫體固有的化學(xué)無(wú)序或結(jié)構(gòu)不均勻性。在弛豫鐵電聚合物中,單體組成及其在分子水平上的排列方式?jīng)Q定了鐵電性能。相比之下,在鈣鈦礦材料中,弛豫鐵電性質(zhì)來(lái)源于組成原子及其在原子水平上的距離。因此,兩者的弛豫特性的來(lái)源具有明顯的差異。
【研究成果】
近日,美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)Qing Wang教授課題組在弛豫鐵電聚合物領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。作者以商業(yè)化鐵電聚合物P(VDF-TrFE)為研究對(duì)象,以不同共聚比的P(VDF-TrFE)來(lái)研究其弛豫鐵電行為及構(gòu)象變化機(jī)理。結(jié)合X射線衍射、原子力顯微鏡紅外光譜和第一性原理計(jì)算,發(fā)現(xiàn)鐵電聚合物的弛豫行為源于無(wú)序化構(gòu)象,與典型具有無(wú)序化晶疇的弛豫鈣鈦礦完全不同。作者還發(fā)現(xiàn),分子鏈?zhǔn)中詫?duì)于局部畸變引起的無(wú)序螺旋構(gòu)象具有重要影響,而這一特性導(dǎo)致聚合物具有弛豫性質(zhì),這一發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)弛豫鐵電體形成機(jī)理具有重要影響,更重要的是對(duì)柔性可穿戴器件及能源應(yīng)用領(lǐng)域有著深遠(yuǎn)的意義。該工作以標(biāo)題“Chirality-induced relaxor properties in ferroelectric polymers” 發(fā)表于材料領(lǐng)域重要期刊nature materials上。文章的第一作者是美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的Yang Liu博士,美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的Qing Wang教授為本文的通訊作者。
【圖文解讀】
過(guò)去,人們?yōu)榱双@得弛豫鐵電體,一般通過(guò)經(jīng)電子輻照或在聚合物中引入大體積單體(如CFE和CTFE),對(duì)P(VDF-TrFE)共聚物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾,形成相應(yīng)的弛豫鐵電體。然而,P(VDF-TrFE)中固有弛豫行為的出現(xiàn)促使我們假設(shè)其弛豫特性可能來(lái)自TrFE單元,因?yàn)榫哂腥词綐?gòu)象的PVDF被認(rèn)為是正常的鐵電。通過(guò)對(duì)比正常鐵電體P(VDF-TrFE)、弛豫P(VDF-TrFE)、弛豫三元聚合物P(VDF-TrFE-CFE)、P(VDF-TrFE-CTFE)及PtrFE的XRD結(jié)果可知。對(duì)應(yīng)于(001)平面的2θ~35.0°處的峰值具有鐵電畸變特征。
從P(VDF-TrFE)的鐵電成分顯著下降到準(zhǔn)同型相界區(qū)(MPB)(即VDF=55mol%)。該峰在弛豫P(VDF-TrFE)(即VDF=45mol%)中消失,表明鐵電長(zhǎng)程不穩(wěn)定性消失。同時(shí),鐵電不穩(wěn)定性的特征峰值在居里溫度(~85°C)附近消失。有趣的是,由聚合物的組成變化導(dǎo)致正常鐵電體到弛豫的演變過(guò)程類(lèi)似于變溫XRD的結(jié)果。作者認(rèn)為,弛豫相和順電相在本質(zhì)上可能具有相同的組成和結(jié)構(gòu)。此外,作者還發(fā)現(xiàn)不同聚合物組成的順電相的XRD與PTrFE的相同。因此,通過(guò)對(duì)PTrFE基態(tài)構(gòu)象的分析,可以揭示鐵電聚合物弛豫行為的根源。
作者利用原子力顯微鏡聯(lián)用紅外光譜(AFM-IR)對(duì)弛豫聚合物中手性誘導(dǎo)構(gòu)象紊亂現(xiàn)象進(jìn)行了直接的研究。發(fā)現(xiàn)隨著VDF含量的降低,分子構(gòu)象發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化。在鐵電組分P(VDF-TrFE)80/20 mol%中,觀察到一致的全反式構(gòu)象,這主要是聚合物中大的鐵電疇引起的。另一方面,在弛豫P(VDF-TrFE)45/55 mol%和PTrFE中,全反式構(gòu)象表現(xiàn)出顯著的構(gòu)象變化。這表明,弛豫聚合物中存在著強(qiáng)烈的構(gòu)象紊亂特性,這一點(diǎn)在局部紅外表征中得到了明確的證實(shí)。在局部紅外光譜中,發(fā)現(xiàn)弛豫體中全反式構(gòu)象的紅外特性強(qiáng)度發(fā)生了急劇變化,而在正常鐵電體中則幾乎保持不變。還觀察到弛豫體P(VDF-CTFE)90/10 mol%和PCTFE中構(gòu)象的強(qiáng)烈紊亂現(xiàn)象。
作者還發(fā)現(xiàn)在約100–1000 Hz的低頻范圍內(nèi),PTrFE的介電峰向低溫而非高溫移動(dòng)。這一結(jié)果驗(yàn)證了P(VDF-TrFE)的弛豫行為確實(shí)源于TrFE單元,使得P(VDF-TrFE)與弛豫鈣鈦礦PMN-PT非常相似,其中PMN是弛豫相,PT是正常鐵電相。為了進(jìn)一步確認(rèn)弛豫鐵電聚合物的基本結(jié)構(gòu),作者研究了PCTFE和P(VDF-CTFE)共聚物構(gòu)象差異特性,其中手性來(lái)自CTFE單元。這兩種聚合物都是具有寬介電峰和頻率依賴(lài)性為特征的弛豫體,可由Vogel–Fulcher定律很好地描述。與之相反,作者發(fā)現(xiàn)P(VDF-CTFE)不具有TGTG構(gòu)象。同時(shí),還發(fā)現(xiàn)約507cm?1處的螺旋構(gòu)象特征峰的峰強(qiáng)增加。這些結(jié)果表明PVDF中的TGTG構(gòu)象向P(VDF-CTFE)共聚物中的螺旋構(gòu)象逐漸演化。
作者認(rèn)為P(VDF-CTFE)可能由于PCTFE自身的螺旋特性造成的螺旋構(gòu)象。PCTFE中螺旋構(gòu)象的高度無(wú)序特征對(duì)其弛豫行為至關(guān)重要,這可能歸因于螺旋構(gòu)象中存在變形角。因此,PCTFE和P(VDF-CTFE)的弛豫行為與PTrFE和P(VDF-TrFE)一樣,都源于手性誘導(dǎo)的螺旋構(gòu)型。事實(shí)上,我們觀察到典型的電致伸縮效應(yīng),其應(yīng)變信號(hào)與在PTrFE和PCTFE中施加電場(chǎng)的方向和大小無(wú)關(guān)。聚合物表現(xiàn)出極細(xì)的P–E電滯回線,這類(lèi)似于順電弛豫體的特征。PTrFE的電致伸縮特性和纖細(xì)的P–E電滯回線明確地證實(shí)了PTrFE既不是壓電的也不是鐵電體。此外,PTrFE和PCTFE具有巨大的Q33值。
【研究小結(jié)】
該工作明確了手性分子鏈誘導(dǎo)鐵電聚合物中與構(gòu)象紊亂相關(guān)的弛豫鐵電行為。分子內(nèi)畸變,特別是對(duì)外加電場(chǎng)的響應(yīng),弛豫鐵電體可能在機(jī)電特性應(yīng)用中起到關(guān)鍵作用,例如高電致伸縮系數(shù)、電容儲(chǔ)能,巨大的熱電效應(yīng)和壓電響應(yīng)?;谑中越Y(jié)構(gòu)的豐富性,該研究可能會(huì)為有機(jī)弛豫鐵電材料的開(kāi)發(fā)提供新的思路。
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