减少能带能量通过掺杂过程中无铅薄膜纳米复合材料

文摘

有很多申请热电复合薄膜在医疗领域,军事领域和环境领域的应用程序。这个研究的主要焦点是制造效率越高灵活的像聚合物薄膜。PVDF是理想使探测器时灵活;具有热释电电流和电阻高、低介电常数和密度。纯粹的PVDF和PVDF薄膜掺杂问MWCNT, PVDF: LiTaO3, PVDF: LiTaO3电影掺杂MWCNT薄膜制造使用铸造技术的解决方案。电影制作的电气特征,使用红外光谱光学和结构特性光谱学的总结光谱学和拉曼光谱。从紫外可见光谱分析是计算纯PVDF的间接带隙能量5.99 eV, 4.85 eV PVDF + 0.5%问,问4.76 eV PVDF + 1%, 5.22 eV PVDF + LT, 4.95 eV -mwcnt PVDF + LT + 2%和4.85 eV PVDF -mwcnt + LT + 2.5%。计算直接带隙能量的纯PVDF 6.25 eV,问5.95 eV PVDF + 0.5%, 4.85 eV PVDF + 1%,问5.42 eV PVDF + LT, 5.12 eV -mwcnt PVDF + LT + 2%和4.95 eV PVDF -mwcnt + LT + 2.5%。能带隙的减小可能归因于非结构化批量缺陷的存在。PVDF的结果表明,掺杂及其纳米复合材料和问MWCNT增强材料的主要特征是有利于光学设备行业。

关键字

热释电红外传感器;多晶陶瓷;多层陶瓷电容器;辐照;结构修改

介绍

Polyvinylidenefluoride (PVDF)是一种以极大的灵活性,聚合物机械健壮性和耐化学性,以及有吸引力的介电和热电性质。PVDF吸引因其杰出的电活性特性,非线性光学,腐蚀性强,敏感性和高介电常数(1,2),这使它有用的各种传感器等领域,执行机构和能源传感器(3]。有些设备由PVDF还需要高压电源,多个应用程序可能是一个限制因素。因此,聚合物矩阵和成分陶瓷纤维可能会缓解资产有关机械和压电响应。复合电影由至少两种化合物是优于单独一种化合物如果展品更有利的数据价值(4,5]。最近的研究表明,复合电影更好的用于红外探测器和其他技术依靠智能材料比纯电影。报告显示,材料处理PVDF /压电复合电影和演示增加峰值极化比平原PVDF (6]。复合材料的制造是初步阶段的可行性的方法是评估机电表征复合薄膜。中使用的聚合物基质材料PVDF聚合物解决方案。报告显示许多技术制作电影厚厚的PVDF和PVDF:纳米复合材料。最近的研究表明溶胶-凝胶技术(7),电纺的(8),浸渍涂敷,9),和丝网印刷10)、激光消融(11),和旋转涂布12)制造的薄和厚的电影(13]。解决铸造技术用于目前的工作是由于它易于制造和成本效益14]。解决铸造方法被许多科学家和Manjunatha被使用,和Santhosh刘贤出版社报道这个特殊的电影制作方法的效率(15,16]。

大部分的PVDF压电字符由于β阶段最大的单位细胞自发极化,因此,展品电活性最高的属性(15]。据报道,电纺的混合PVDF与碳纳米管(碳纳米管)可以提高PVDFβ-phase含量(16]。结合有机聚合物PVDF增强了纳米复合材料的光学性质。尽管许多研究PVDF / CNT nanofibrous复合材料已报告,新的迷人的结果出现持续和不断17]。在目前的工作,很好地结合PVDF与不同碳纳米管重量百分比和纳米复合材料材料与锂钽酸盐(LiTaO₃)和PVDF + LiTaO₃掺杂各种多壁碳纳米管(MWCNT-multiple层石墨,滚到他们形成管状结构)重量百分比已经使用解决方案铸造方法制作的。获得电影特征的光学特性,发现其效用在光电领域的设备。研究这些复合材料的介电性能和光学性能很重要,因为这些材料的性质不同的个别成分和随填料的分数。有时,这些属性是大于填料和矩阵。

光学特性

近年来,聚合物具有不同的光学性质已经吸引了很多注意力,由于他们的应用程序的传感器、光学设备、led等。这些材料的光学性质可以很容易地调整通过控制掺杂剂材料和优化掺杂剂浓度。光学特性是非常重要的吸光度,透光率和聚合物薄膜的反射率是关键光学参数用于推导消光系数等重要特征,能源缺口,光损失,和介电常数等。在目前的工作,吸收系数、折射率、消光系数和介电常数的实部和虚部确定,问的影响和MWCNT的光学性质研究以及拉曼,红外光谱研究。

研究光的吸收过程只不过是分析和电子相互作用[18,19]。光子被吸收时频率匹配的受激电子将被允许更高的状态(20.),否则这类辐射材料是透明的。半导体的光学特性介于金属和绝缘体(电介质)。为了使电介质的表现一样好导体为特定目的所使用的掺杂过程和掺杂物的存在可能会改变这些材料的光学性质(21]。由于PVDF的原因,LiTaO₃对电介质,半导体晶体材料的研究。目前的研究强调碳纳米管和多层碳纳米管(热合)与其他大部分PVDF和PVDF配对热电材料厚膜。问由石墨卷管的形状结构形式。MWCNT由多层石墨,滚到他们形成管状结构。热合的外直径×长度(分别为7 - 15 nm 0.5×-10μm)表现出优良的机械和电气性能。吸收系数(α),是衡量的速度减少电磁辐射的强度,通过给定的物质(22]。

(1)

厘米,d =膜厚度和=日志(我吗₀/我)₀和我分别事件的强度和透射光束。

直接和非直接的吸收边缘转换可以获得针对Tauc提出的模型的关系23),

(2)

α=吸收系数,ν=频率、h =普朗克常数,C =通过空气/真空光速,光学能量隙价带和导带和r之间的权力特征的过渡过程。

反射率(R -措施的比例,反映了物质)被发现从价值观的传播(T)和吸光度(A),使用的关系:

+ R + T = 1 (3)

对于正常的反射,可以确定折射率的关系:

(4)

相关的消光系数k是吸收系数α的关系:

(5)

在那里,λ是入射光子的波长。

复介电常数之间的关系和复杂的折射率N是:

表达的:

ε= N²(6)

它可以得出:

(n-ik)²=ε′-ε”(7)

真正的(εr)和介电常数的虚(εi)部分因此相关(n)和(k)的值,可以使用以下公式计算19]:

ε′= n²- k²和ε”= 2 nk (8)

上面的方程与能量存储和分别由介质损耗的能量。

光学损失

光电导可以计算通过数控和4π的比率,和此属性用于描述材料的反应电磁波。

光密度,代表透射光的程度阻碍材料,是由方程:

光密度=αd (11)

准备材料和电影

PVDF、MEK DMF, LiTaO₃问,MWCNT是从Sigma-Aldrich购买的。0 - 3连接的典型流程图thinand厚——电影纳米复合材料准备用铸造方法中描述的解决方案图1。

结果和讨论

傅里叶变换红外(FTIR)光谱研究

红外振动光谱研究进行了描述PVDF的光学特性,PVDF: LiTaO₃问和PVDF + LiTaO掺杂,PVDF₃掺杂MWCNT的电影。红外光谱技术用于获得一个红外光谱吸收或排放的固体、液体或气体。一个红外光谱谱仪同时收集高光谱分辨率的数据在一个宽的光谱范围。这带来一个很大的优势在色散光谱仪测量强度在窄范围的波长。傅里叶变换红外光谱学一词源于一个傅里叶变换(数学过程)需要将原始数据转换成实际的频谱。

为了理解掺杂物的存在及其结合自然、红外光谱进行了分析。图2显示了PVDF的波数与透光率的比较各种掺杂样品,根据获得的数据;峰值为450厘米⁻¹的特征峰β-phase PVDF的峰值在525厘米吗⁻¹乐队是分配给一个CF₂弯曲模式,峰值为745厘米⁻¹是分配给一个摇摆模式(24- - - - - -26]。PVDF高峰在879厘米¹这是分配给一个混合模式的CH₂摇摆和CF₂不对称伸缩振动(24- - - - - -26),1289厘米¹分配给CH₂平面外弯曲,也称为摇或扭曲和1479厘米¹。同样,PVDF cnt + - 1%, PVDF cnt + - 0.51%, PVDF + mwcnt - 2%没那么强烈的山峰在同一位置,确认样品中出现的碳碳键的存在。获得的特征峰在445厘米¹,525厘米¹,745厘米¹和879厘米¹对应的β-phase PVDF PVDF的结晶区。这一阶段逐渐停止向波数高地区暗示的结晶相的衰减聚合物矩阵在2000厘米¹。一连串有轻微增加约2800厘米¹对应于主机聚合物的无定形的阶段。高峰在2960厘米¹和2990厘米¹相关的不对称和对称伸缩振动甲基。对称的振动通常是弱于非对称振动,因为前者导致更少的偶极矩的变化(27]。

图3显示了PVDF的波数与透光率的比较与LiTaO样本₃根据获得的数据,MWCNT掺杂PVDF高峰在679厘米¹,1179厘米¹,1439厘米¹,1689厘米¹,2029厘米¹对应的特征峰PVDF的α和β-phases PVDF (28- - - - - -30.]。同样,PVDF + LiTaO₃PVDF + LiTaO₃+ MWCNT有更高的强烈的山峰在同一地点确认CH的存在₂,CF₂在样品,碳碳键和切断债券。随着PVDF各种山峰基于各种对称和非对称拉伸,图像显示图3山峰。

图4展示了波数的比较与PVDF的日志(1 / R)与各种掺杂样品,根据获得的数据,PVDF高峰在639厘米¹,729厘米¹,849厘米¹,1041厘米¹,1241厘米¹,1479厘米¹。同样,PVDF cnt + - 0.5%, PVDF cnt + - 1%, PVDF + mwcnt - 2%, PVDF + mwcnt - 2.5%有许多较小的强烈的山峰在同一地点确认碳碳键的存在和切断债券的样本。这些峰值匹配的特征峰问,MWCNT。峰的强度图4,减少与增加聚合物基质中掺杂剂的量。

图5展示了波数的比较与日志(1 / R)与LiTaO PVDF样本₃和MWCNT。各种兴奋剂,根据获得的数据,PVDF高峰在579厘米¹,669厘米¹,849厘米¹,1041厘米¹,1121厘米¹,1241厘米¹,1479 cm - 1689 cm¹,2629厘米¹,2979厘米¹。同样,PVDF + LiTaO₃,PVDF + LiTaO₃+ MWCNT更高的强烈的山峰在同一位置,确认碳碳键的存在和切断债券的样本。这些峰值匹配的特征峰问,MWCNT。峰的强度图6与数量的增加,增加聚合物基质中掺杂剂(31日- - - - - -33]。

紫外可见透射光谱分析

材料的光学性质使信息组成材料的性质。因为分子吸收不同波长的光取决于他们结构,一种化合物的分子结构可以被监控的百分比吸收或反射。从光谱仪获取的数据不仅可以帮助识别的分子晶体之间的债券,但也可以帮助我们计算光学性质,包括能带能量,光损失,光学密度、介电常数,介电损耗等34- - - - - -37]。提出了研究结果给电子光学带隙结构的细节。所有这里给出的图表展示周围当掺杂问或MWCNT的优越性能。

的吸收光谱纯PVDF, PVDF +问,PVDF + LiTaO₃,PVDF + LiTaO₃+ MWCNT所示图6和7。从图6和7很明显,PVDF和掺杂PVDF PVDF:纳米复合材料显示一个优秀的传播在整个紫外可见区域。图8也描绘了增强透光率百分比作为掺杂剂比例的增加比纯粹的PVDF。增强吸收比例为光电应用程序是一个非常重要的性质。

吸收光谱的研究是非常重要的,因为它给带结构的细节,是否影响带附近的极端。所以使用Tauc的关系,情节图8用于查找推断的间接带隙的线性部分曲线为零。间接带隙能量被发现5.99 eV纯PVDF, 4.85 eV PVDF cnt + - 0.5%, 4.76 eV PVDF cnt + - 1%, 5.22 eV PVDF + LT, 4.95 eV PVDF + LT + mwcnt - 2%和4.85 eV PVDF + LT + mwcnt - 2.5%。光学间接带隙值的减少是由于缺陷的形成,从而影响材料的光学性质(38- - - - - -40]。

图9显示图像的能量和(αhν)²通过很明显,随着光子能量增加(αhν)²正在增加。从情节的能源和(αhν)²我们可以找到样品的直接带隙能量曲线的线性部分推断为零。的决心的价值光能量隙包括策划(αhν)^1/2反对hν。直接和间接光学带隙能量可以由策划光子的能量和推断的线性部分曲线为零。光学带隙能量之间的能量差是Ea的价带的顶部和底部导带的电子。光学活化能,粒子所需的能量来克服势垒,一出曲线的线性部分的自然对数的吸收系数和能量为零。

使用Tauc的关系,情节图9用于发现直接能带曲线的线性部分推断为零。最适合的拦截(推断)在能量轴的值将直接光学能量隙。直接带隙能量被发现6.25 eV纯PVDF, 5.95 eV PVDF cnt + - 0.5%, 4.85 eV PVDF cnt + - 1%, 5.42 eV PVDF + LT, 5.12 eV PVDF + LT + mwcnt - 2%和4.95 eV PVDF + LT + mwcnt - 2.5%。从结果很明显,由于增加掺杂引起的不规则,有一个小的减少光学带隙值。因此行为可能与结构性变化发生后添加复合材料或掺杂物。因此结果表明,光学带隙的依赖,尤其是掺杂剂相关的。直接带隙能量的价值和间接带隙能量价值它明显,直接带隙值高于间接带隙值(41]。

消光系数,确定波的振幅降低速度。从图10很明显,随着波长的增加消光系数也增加。由于掺杂,样品的密度增加,可能是消光系数的增加的主要原因。中所描绘的一样图11介电常数的实部随着光子的能量的增加而增加。介电常数的增加与增加的体积分数CNT / MWCNT归因于偶极极化的增加尤其在高频政权。这个额外的极化可能来自空间电荷极化。实部表明光速的物质可以减慢,而虚部处理的吸收能量的介质电场由于偶极子运动。虚部处理的吸收能量的介质电场由于偶极子运动。介电损耗角正切的增加在低能量水平地区可能被通过电容网络进行路径的形成(42]。

可以看出有一个增加介电常数的虚部相比,非常小的增加介电常数的实部。结果表明,样品遵循标准的铁电材料的特点。掺杂问不是导致增加介电特性但掺杂MWCNT导致介电常数增加剧烈。

与纯PVDF相比,PVDF + LT具有介电常数高约3倍值时,这将使材料有用高介电常数材料需要特定的应用程序。介电常数的虚部PVDF + LT是纯PVDF大约4倍。所需的光学损失是一个极大的材料和质量很明显的图所示图12随着能量增加光学损失减少,掺杂问和LiTaO₃不改变材料属性,减少光损失随着能量的增加,但在光学损失增加的价值非常最小随着掺杂量的增加(图13)。的光电导率是一个强大的工具为研究材料中的电子态。光电导对光子能量之间的情节描述了图14。光谱表明,光电导随光子能量的增加。由于减少直接隙掺杂物的光电导率增加。很明显从图形的光电导率增加掺杂材料及其数量的增加43]。光密度的行为类似于光电导率的变化与光子能量在纯和掺杂PVDF见图15。

结论

PVDF薄膜,PVDF cnt + - 0.5%, PVDF cnt + - 1%, PVDF + LT, PVDF + LT + mwcnt - 2%,和PVDF + LT + mwcnt - 2.5%是捏造采用溶液浇铸法成功地在物理系,AAMU。所有这些电影的电子和光学性质等进行了表征。从结果很明显,掺杂PVDF问或MWCNT提高纯物质的电子和光学特征。红外光谱结果表明官能团的细节出现在材料和也与文献。光学特性等光学带隙(直接和间接),吸收系数(α),消光系数(k),真实和虚构的介电常数(εε”)、光密度、光学损失(tanδ),光电导,和ln(α)计算分析纯的光学性质和掺杂PVDF和PVDF + LT纳米复合材料薄膜。掺杂和掺杂PVDF PVDF + LT纳米复合材料薄膜有更高的透明度比纯PVDF薄膜在紫外可见区域具有良好的光学常数用于光子设备应用程序。

基于当前的结果很明显,掺杂PVDF与CNT / PVDF纳米复合材料MWCNT电气和光学特性有很大的影响。在未来的研究将集中在需要添加的最佳数量来获得最佳的结果集所需的光学器件和其他应用程序。

确认

这项工作已经由DHS-BS奖# 2010 - 062 - 000034,NSF奖# 1546965,# 1546965。作者还要感谢博士a·k·巴特拉他的帮助在这个研究的方方面面。

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