一種三元鐵電聚合物薄膜材料的製備方法

2023-10-19 23:14:57 1

專利名稱：一種三元鐵電聚合物薄膜材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及鐵電聚合物薄膜材料，特別是指一種採用朗格繆爾
(Langmuir-Blodgett， LB)技術生長的高能量密度三元鐵電聚合物薄膜材料的 製備方法。
背景技術：
有機薄膜電容器市場龐大，每年需要近千億隻，而以聚偏二氟乙烯(簡稱 PVDF)作為介電材料的電容器市場也越來越大。聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共 聚物簡稱P(VDF-TrFE),是一種優良的鐵電材料，除了作為傳統電熱器材料外， 這種聚合物材料因為具有能量密度高、耐擊穿電場高等特點，因此可用於製備 具有廣闊應用前景的能量存儲電容器。最近有報導把一種氯氟乙烯聚合物 (PCFE)引入P(VDF-TrFE)中形成三元聚合物P(VDF-TrFE-CFE)，把本徵鐵電
聚合物轉變成弛豫性鐵電聚合物，從而大大改進了聚合物的性能，見B.Chu等， Science, 313， 334 (2006)。這種弛豫特性的起源機制尚不明確，要進一步提高性 能，必須理解這種弛豫鐵電特性的物理起源。
俄羅斯與美國的一個聯合研究小組利用LB技術生長了 P(VDF-TrFE)薄膜材 料，該薄膜可以控制到僅有兩個分子層還具有鐵電特性，厚度僅為約lnm,見 A. V. Bune等Nature, 391， 874 (1998)。這種LB_P (VDF-TrFE)薄膜表現出非常大的 耐擊穿電場和能量密度。相對於傳統方法得到的聚合物薄膜材料，這種P(VDF-TrFE)的LB膜具有高度分子排列、高結晶度的特點，這樣為研究一些基 本的物理問題提供了非常有利的條件。
由於弛豫特性與極化納米疇結構有關，因此，LB薄膜為研究弛豫特性創造 了條件。另一方面,聚合物LB薄膜可以通過改進薄膜性能來降低介電損耗，顯 著提高薄膜的耐擊穿電場和能量密度。因此，如果採用LB技術生長三元 P(VDF-TrFE-CFE)鐵電聚合物薄膜，在納米尺度上控制薄膜結構，從而得到排列 有序度高、結晶度高的聚合物薄膜，將是很有實用價值的。但是目前尚未有採 用LB技術生長P(VDF-TrFE-CFE)三元鐵電聚合物薄膜的報導。

發明內容
本發明的目的就是要提出一種在分子水平上控制P(VDF-TrFE-CFE)三元鐵 電聚合物薄膜的生長方法，為深入理解鐵電聚合物弛豫特性起源機制提供高性 能材料。
本發明的P(VDF-TrFE-CFE)三元鐵電聚合物薄膜的生長採用LB技術，其過程
為
1前驅體溶液的配製
溶劑為二甲基亞碸(簡稱DMS0)，溶質為現成有售的三元聚合物 P(VDF-TrFE-CFE)，溶劑與溶質比為100 — 200 ml : 0. 01-0. 02克。配製程序是 稱取一定量的P(VDF-TrFE-CFE)，轉移到一 250毫升燒瓶中，加入DMS0，在50 一80 °C下攪拌3 — 5小時，冷卻至室溫。
2薄膜材料的生長
採用LB薄膜生長系統來生長P(VDF-TrFE-CFE)三元聚合物薄膜，方法為水 平提拉法，其步驟為
§A用注射器抽取前驅體溶液，然後均勻滴在LB薄膜生長系統的盛有去離子水的槽中，放置1小時後，前驅體溶液均勻漂浮在去離子水的表面；
SB然後將裝有基片的樣品架伸入盛有去離子水的槽中，使基片的有金屬電 極層的一面與漂浮在去離子水表面的前驅體溶液接觸，並使基片在表面壓2 — 5 mN/m下進行提拉，得到單層膜厚度為1一1.5納米之間。重複提拉多次，可以得 到所需厚度的薄膜材料。最後將帶有基片的薄膜在120_140°C退火2 — 5小時。 利用掩模板蒸發Al或Au到薄膜的表面，作為上電極，即可作為電容器研究其 電學性能。
所說的基片由玻璃，在玻璃上依次塗聚醯亞胺層、熱蒸發法生長金屬層構成。 金屬層為鋁或金，作為電極。
使用本發明的方法製備的P(VDF-TrFE-CFE)三元鐵電聚合物薄膜，將具有如 下的效果
(a) 在分子水平上生長三元P(VDF-TrFE-CFE)聚合物薄膜，薄膜中分子排 列高度有序。
(b) 所生長的P(VDF-TrFE-CFE)三元鐵電聚合物LB薄膜為研究弛豫鐵電 性起源提供材料平臺。
(c) 所生長的P(VDF-TrFE-CFE)三元鐵電聚合物LB薄膜具有研製實用能 量存儲器件所需的性能。


圖1為LB水平法生長三元鐵電聚合物LB薄膜的示意圖。
具體實施例方式
1. P(VDF-TrFE-CFE)三元鐵電聚合物前驅體溶液的製備 稱取0.01g三元聚合物P(60XVDF-33XTrFE-7XCFE)於一 250 ml燒瓶中， 加入100ml二甲基亞碸，在60。C下攪拌3小時，放置24小時後，待用2.水平法生長三元鐵電聚合物LB薄膜
用注射器取前驅體溶液4 ml，然後均勻滴在Nima311D型LB薄膜生長系統 的盛有去離子水槽中，放置1小時後，使玻璃基片的有金屬A1電極層的一面與 漂浮在去離子水表面的前驅體溶液接觸，在表面壓5 mN/m下水平轉移薄膜到Al 電極層上，反覆提拉30次，然後將薄膜置於烘箱中在125。C退火5小時，最後 得到薄膜厚度在40-50 nm之間，再在其上蒸發A1膜，作為上電極，即可作為電 容器研究其電學性能。
權利要求
1. 一種三元鐵電聚合物薄膜材料的製備方法，其特徵在於具體步驟如下§A前驅體溶液的配製溶劑為二甲基亞碸，溶質為現成有售的三元聚合物P(VDF-TrFE-CFE)，溶劑與溶質比為100—200ml0.01-0.02克，配製程序是稱取一定量的P(VDF-TrFE-CFE)，轉移到一250毫升燒瓶中，加入二甲基亞碸，在50—80℃下攪拌3—5小時，冷卻至室溫待用；§B薄膜材料的生長採用LB薄膜生長系統來生長P(VDF-TrFE-CFE)三元聚合物薄膜，其步驟為§a用注射器抽取前驅體溶液，然後均勻滴在LB薄膜生長系統的盛有去離子水的槽中，放置1小時後，前驅體溶液均勻漂浮在去離子水的表面；§b然後將裝有基片的樣品架伸入盛有去離子水的槽中，使基片的有金屬電極層的一面與漂浮在去離子水表面的前驅體溶液接觸，並使基片在表面壓2—5mN/m下進行提拉，得到單層膜厚度為1—1.5納米之間，重複提拉多次，得到所需厚度的薄膜材料；最後將帶有基片的薄膜材料在120—140℃下退火2—5小時；利用掩模板蒸發Al或Au到薄膜的表面，作為上電極。
2.根據權利要求1的一種高能量密度三元鐵電聚合物薄膜材料的製備方法， 其特徵在於所說的基片由玻璃，在玻璃上依次塗聚醯亞胺層、熱蒸發法生長 金屬層構成；金屬層為鋁或金，作為下電極。
全文摘要
本發明公開了一種三元鐵電聚合物薄膜材料的製備方法，該方法包括溶劑為二甲基亞碸，溶質為三元聚合物P(VDF-TrFE-CFE)前驅體溶液的配製；在LB設備上採用水平提拉法生長薄膜及薄膜的熱處理。最後得到納米尺度上可控、排列高度有序、結晶度高的聚合物薄膜，本發明製備的薄膜材料為研究薄膜的弛豫鐵電性起源提供了平臺。同時，所生長的P(VDF-TrFE-CFE)三元鐵電聚合物薄膜具有研製實用能量存儲器件所需的性能。
文檔編號H01G4/33GK101471180SQ200710173510
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月28日 優先權日2007年12月28日
發明者孫璟蘭, 孟祥建, 鐵 林, 褚君浩, 莉 韓 申請人:中國科學院上海技術物理研究所