De pyro-elektrische effecten van met LiNbO3 gemodificeerde composieten bestuderen

Pyro-elektriciteit van LN-kristalbulk. een Schematisch diagram van het pyro-elektrische werkingsmechanisme van de LN-kristalwafer:de initiële polarisatietoestand, de verwarmde toestand en de gekoelde toestand. Pyro-elektrische effecten gekenmerkt door een verwarmingselement. b Foto's van het LN-apparaat met een stuk LN-bulkwafel (2 cm x 2 cm). c Een verwarmingselement dat wordt gebruikt voor de karakterisering van het pyro-elektrische effect. d Foto's van het verwarmingselement dat werkt met een gelijkstroomvoeding. e Pyro-elektrische stroom van de LN-bulk onder verschillende temperaturen. v Pyro-elektrische stroom van LN-wafel met verschillende veranderingsbereiken en hellingssnelheden van temperaturen

waarbij p de pyro-elektrische coëfficiënt van het materiaal is, A het elektrodegebied en (dT/dt) de hellingssnelheid van de temperatuur.

We stellen verder verschillende veranderende bereiken en hellingssnelheden van de temperatuur in, en de bijbehorende stroomsignalen veranderen tegelijkertijd, die worden getoond in Fig. 1f. Het is duidelijk dat de uitgangsstromen van het LN-kristalwafelapparaat zullen toenemen met een toenemend veranderend bereik en toenemende snelheid van de temperatuur. Deze resultaten geven aan dat alle verkregen signalen die worden getoond in Fig. 1e het gevolg zijn van het pyro-elektrische effect van LN-kristallen, waarbij de pyro-elektrische ladingen worden omgezet in elektrische stroom.

Om de uitstekende pyro-elektrische effecten van LN-kristalwafel te vertonen, hebben we verder levendig gebruik gemaakt van de door elektrostatische interactie aangedreven zelfassemblage van deeltjes of dunne polymeerfilms. De deeltjes of dunne polymeerfilms zouden van een patroon kunnen worden voorzien door de elektrostatische interactie die wordt geproduceerd door de onmiddellijke pyro-elektrische ladingen. De schematische diagrammen in Fig. 2a tonen het patroonproces van pyro-elektrische ladingen op het oppervlak van LN-wafel en de elektrostatisch geïnduceerde zelfassemblage van PS-microdeeltjes en dunne film. Een zachte PDMS-stempel wordt gefabriceerd met behulp van een contactafdrukmethode, waarbij de patronen worden overgebracht naar de PDMS vanuit een siliciumwafel met patroon. Wanneer een hete PDMS-stempel in contact wordt gebracht met LN-wafelsubstraat, wordt de warmte overgedragen van PDMS-stempel naar de LN-wafer, waardoor een patroon op microschaal van deeltjes of dunne polymeerfilms op het geladen gebied wordt geïnduceerd. Standaard PS-nanodeeltjes in organisch oplosmiddel met een diameter van 60 nm en dunne PS-film (M _w =5000) worden gekozen om de patronen in het zelfassemblageproces te vormen. Na het nemen van de PS-deeltjes uit het organische oplosmiddel (Fig. 2b, c) of spincoating van een dunne laag (met een dikte van 100 nm) PS-film (Fig. 2d, e) op de LN-wafer, verzamelde de elektrostatische spanning zich van de patroonvormige pyro-elektrische oppervlakteladingen drijft de assemblage van de deeltjes en dunne polymeerfilm in microarrays op het geladen gebied. Op basis van verschillende ladingspatronen, die zijn gefabriceerd met behulp van PDMS-stempels met verschillende patronen, konden we verschillende zelfassemblagestructuren waarnemen. Cirkelvormig periodiek rooster wordt getoond in Fig. 2b (of het complementaire patroon in Fig. 2d), en de periodieke lineaire strepen worden getoond in Fig. 2c, e.

Het door elektrostatische interactie aangedreven zelfassemblagevermogen van deeltjes of dunne polymeerfilms door pyro-elektrische effecten op microschaal. een Schematische illustratie toont de procedure van PS-nanodeeltjes en zelfassemblage van filmpatronen met behulp van pyro-elektrostatische ladingsinteractie op de verwarmde LN-kristalwafels. Zestig nanometer PS-nanodeeltjes worden gekozen om het ladingspatroon te karakteriseren. De patroonassemblage van PS-nanodeeltjes b , c en de elektrohydrodynamische assemblage van dunne PS-film d , e op de pyro-elektrische laadgebieden van AFM

Hoewel de gepolariseerde LN-bulk uitstekende pyro-elektrische effecten heeft, zullen de kwetsbaarheid, inflexibiliteit en moeilijkheid bij verwerking de toepassing van zijn pyro-elektrische vermogen beperken. We hebben verder een deeltjes-polymeer composietsensor gefabriceerd, samengesteld uit LN-kristalmicrodeeltjes en polypropyleen (PP) -matrix door middel van heetpersprocedures. De composietfilm zou de uitstekende mechanische eigenschappen van PP-matrix en de superieure pyro-elektrische effecten van LN-deeltjes kunnen bevatten. Om duidelijke stroomsignalen te verkrijgen en meetfouten veroorzaakt door de elektrische weerstand te verminderen, wordt een concentratie van 1 wt.% MWCNT's aangenomen en uniform verspreid in de LN/PP-composieten met vallen en opstaan. Vergeleken met LN/PP-films heeft de LN/PP/MWCNT pyro-elektrische composietfilm (PCF) flexibele sensor een hoger responssignaal, zoals weergegeven in Fig. S1 van ondersteunende informatie.

De SEM-beelden van de gefabriceerde LN / PP / MWCNT-composietfilm worden getoond in Fig. 3. Er kan worden waargenomen dat zowel LN-microdeeltjes als MWCNT uniform zijn verspreid in de composietfilms. De dikte van de LN/PP/MWCNT-composietfilm is ongeveer 70 m (zoals weergegeven in figuur 3b). De kristalfasestructuur van LN-deeltjes en de conformatie van de composietfilms worden gekenmerkt door röntgendiffractie, zoals weergegeven in Fig. S2 van ondersteunende informatie.

Foto's van de LN/PP/MWCNT film. een Een intact stuk van de LN/PP/MWCNT film. b SEM-beelden van een dwarsdoorsnede van de LN/PP/MWCNT-film. De vergrote doorsnede van waar MWCNT c en LN-deeltjes d worden aangegeven door rode pijlen

Het schematische fabricageproces van de pyro-elektrische LN/PP/MWCNT-film en sensor wordt getoond in figuur 4a; de procedure van verwarmen en koelen en de bijbehorende stroomveranderingen worden ook schematisch geïllustreerd in Fig. 4b. De pyro-elektrische eigenschappen van het samengestelde polymeer worden verder onderzocht door de pyro-elektrische stroomsignalen van een LN/PP/MWCNT-sensor te monitoren. Pyro-elektrische stromen met verschillende LN-concentraties (0, 1, 2, 3, 5, 8 en 10 wt.%) en 1 wt.% MWCNT's worden bewaakt met behulp van een elektrochemisch station zoals weergegeven in Fig. 4c, en de uitgangsstromen zijn bewaakt en getoond in Fig. 4d, e. Net als bij LN-kristalwafels, vertoont de flexibele PCF-sensor een duidelijke afhankelijkheid van temperatuurstijging, die wordt getoond in figuur 4d. Met het temperatuurbereik dat continu toeneemt van 293 ~323 K tot 293 ~373 K, neemt de uitgangsstroom duidelijk toe.

Pyro-elektrische effecten van LN/PP/MWCNT nanocomposiet. een Schematisch diagram van het fabricageproces van LN/PP/MWCNT composietfilm. b Schematische illustratie van de LN/PP/MWCNT pyro-elektrische nanogeneratorstructuur en werkingsmechanisme:(I) de initiële polarisatietoestand, (II) de verwarmde en (III) de gekoelde toestand van de LN/PP/MWCNT PCF. c Foto's van het verwarmingselement dat werkt met een gelijkstroomvoeding. d , e Pyro-elektrische stroom en trend van de LN/PP/MWCNT samengestelde sensor met afhankelijkheid van temperatuurstijging en concentratie-afhankelijkheid van LN-microdeeltjes

Bovendien zijn de uitgangsstroomsignalen nauw gerelateerd aan de concentraties van LN-microdeeltjes. Volgens figuur 4e nemen de pyro-elektrische stromen toe met de toename van de concentratie van LN-microdeeltjes. Wanneer het temperatuurbereik van 293 tot 373 K met de LN-nanodeeltjesconcentratie van 5 wt.%, wordt de grootste pyro-elektrische stroom tot ~ 125 pA waargenomen. De pyro-elektrische effecten beginnen echter af te nemen zodra meer dan 5 gew.% LN-deeltjes in de PP-matrix zijn opgenomen. Dit fenomeen is waarschijnlijk te wijten aan de desorganisatie van de copolymeermatrix veroorzaakt door de overtollige LN-nanodeeltjes. Bovendien kunnen overtollige LN-nanodeeltjes de LN/PP/MWCNT-composietfilm ook kwetsbaar maken en moeilijk heet te persen. Daarom wordt aanbevolen om de film met 3 wt.% LN-nanodeeltjes te kiezen als een geschikte formule voor verder onderzoek vanwege de betere pyro-elektrische eigenschappen, hogere mechanische sterkte en lagere kosten.

De op polymeer gebaseerde flexibele films worden met succes vervaardigd en de pyro-elektrische eigenschappen worden kwantitatief gekarakteriseerd. De uitstekende pyro-elektrische effecten en de flexibele eigenschap maken dit composiet geschikt voor gebruik onder veel omstandigheden, zoals sensoren of energieoogstmachines, omdat de vorm van de films willekeurig kan worden veranderd. Er moeten echter rigoureuze onderzoeken worden uitgevoerd om het mechanisme en verdere toepassingen van het pyro-elektrische effect te bestuderen.