Estudio de los efectos piroeléctricos de los compuestos modificados con LiNbO3

Resultados y discusión

Los materiales piroeléctricos pueden exhibir una polarización eléctrica espontánea, lo que lleva a los cambios de las cargas positivas y negativas en ambos lados de la superficie de los cristales con los cambios de temperatura. Por debajo de la temperatura de Curie, la polarización espontánea de la oblea o partículas de LN se puede cambiar mediante calentamiento o enfriamiento, y se generarán cargas electrostáticas en ambos lados de los cristales como el diagrama esquemático que se muestra en la Fig. 1a. Las cargas generadas se pueden recolectar y convertir en corriente eléctrica a través de un circuito prediseñado. El dispositivo de obleas de cristal LN (como se muestra en la Fig. 1b – d) se coloca en una placa de calor, donde la temperatura de la placa de calor se puede controlar con precisión. La Figura 1e muestra los cambios cíclicos de temperatura del dispositivo LN y la tasa de calentamiento correspondiente (dT / dt). De acuerdo con la Fig.1e, se observa una fuerte corriente piroeléctrica de ~ 40 nA cuando la temperatura aumenta de 298 a 383 K. Cuando la temperatura disminuye a la inversa de 383 a 298 K, las señales de corriente opuestas obtenidas indican que las corrientes medidas son generadas por la oblea de cristal LN fabricada. Por lo general, la corriente piroeléctrica I se puede describir como:

Piroelectricidad de la masa cristalina de LN . un Diagrama esquemático del mecanismo de trabajo piroeléctrico de la oblea de cristal LN:el estado de polarización inicial, el estado calentado y el estado enfriado. Efectos piroeléctricos caracterizados mediante un elemento calefactor. b Fotografías del dispositivo LN con un trozo de oblea a granel LN (2 cm × 2 cm). c Elemento calefactor utilizado para la caracterización del efecto piroeléctrico. d Fotografías del elemento calefactor funcionando con una fuente de alimentación de CC. e Corriente piroeléctrica de la masa de LN a diferentes temperaturas. f Corriente piroeléctrica de la oblea LN con diferentes rangos de cambio y tasas de aumento de temperatura

donde p es el coeficiente piroeléctrico del material, A es el área del electrodo y (dT / dt) es la tasa de aumento de la temperatura.

Además, establecemos diferentes rangos de cambio y velocidades de rampa de la temperatura, y las señales de corriente correspondientes cambian simultáneamente, que se muestran en la Fig. 1f. Es obvio que las corrientes de salida del dispositivo de oblea de cristal LN aumentarán con un rango de cambio creciente y una tasa de aumento de la temperatura. Estos resultados indican que todas las señales obtenidas que se muestran en la Fig. 1e se deben al efecto piroeléctrico de los cristales de LN, que convierten las cargas piroeléctricas en corriente eléctrica.

Con el fin de exhibir los efectos piroeléctricos sobresalientes de la oblea de cristal LN, utilizamos aún más vívidamente el autoensamblaje impulsado por interacción electrostática de partículas o películas delgadas de polímero. Las partículas o películas delgadas de polímero podrían modelarse mediante la interacción electrostática producida por las cargas piroeléctricas instantáneas. Los diagramas esquemáticos de la Fig. 2a muestran el proceso de modelado de cargas piroeléctricas en la superficie de la oblea LN y el autoensamblaje inducido por electrostática de micropartículas de PS y película delgada. Un sello PDMS suave se fabrica utilizando un método de impresión por contacto, en el que los patrones se transfieren al PDMS desde una oblea de silicio con patrón. Cuando un sello de PDMS caliente se pone en contacto con el sustrato de oblea LN, el calor se transfiere desde el sello de PDMS a la oblea de LN, induciendo un ensamblaje de microescala de partículas o películas delgadas de polímero en el área cargada. Nanopartículas de PS estándar en disolvente orgánico con un diámetro de 60 nm y película fina de PS ( M _w =5000) se eligen para formar los patrones en el proceso de autoensamblaje. Después de tomar las partículas de PS del solvente orgánico (Fig.2b, c) o aplicar una capa delgada (con un espesor de 100 nm) de película de PS (Fig.2d, e) sobre la oblea LN, la tensión electrostática se acumuló. de las cargas de la superficie piroeléctrica modelada impulsa el ensamblaje de las partículas y la película delgada de polímero en microarrays en el área cargada. Con base en diferentes patrones de carga, que se fabrican utilizando diferentes sellos PDMS estampados, pudimos observar varias estructuras de autoensamblaje. La celosía periódica circular se muestra en la Fig. 2b (o el patrón complementario en la Fig. 2d), y las franjas lineales periódicas se muestran en las Fig. 2c, e.

La interacción electrostática impulsó la capacidad de autoensamblaje de partículas o películas delgadas de polímero mediante efectos piroeléctricos en microescala. un La ilustración esquemática muestra el procedimiento de autoensamblaje de nanopartículas de PS y patrones de película mediante el uso de la interacción de carga piroelectrostática en las obleas de cristal de LN calentadas. Se eligen sesenta nanómetros de nanopartículas de PS para caracterizar el patrón de carga. El ensamblaje modelado de nanopartículas de PS b , c y el ensamblaje electrohidrodinámico de película fina de PS d , e en las áreas de carga piroeléctrica presentadas por AFM

Aunque el volumen de LN polarizado tiene efectos piroeléctricos sobresalientes, la fragilidad, la inflexibilidad y la dificultad en el procesamiento limitarán la aplicación de su capacidad piroeléctrica. Además, fabricamos un sensor compuesto de partículas y polímeros, compuesto de micropartículas de cristal LN y matriz de polipropileno (PP) mediante procedimientos de prensado en caliente. La película compuesta podría incorporar las excelentes propiedades mecánicas de la matriz de PP y los efectos piroeléctricos superiores de las partículas de LN. Para obtener señales de corriente obvias y reducir los errores de medición causados ​​por la resistencia eléctrica, se adopta una concentración del 1% en peso de MWCNT y se dispersa uniformemente en los compuestos LN / PP mediante prueba y error. En comparación con las películas LN / PP, el sensor flexible de película compuesta piroeléctrica (PCF) LN / PP / MWCNT tiene una señal de respuesta más alta, como se muestra en la Fig. S1 de la información de apoyo.

Las imágenes SEM de la película compuesta LN / PP / MWCNT fabricada se muestran en la Fig. 3. Se pudo observar que tanto las micropartículas de LN como las MWCNT están uniformemente dispersas en las películas compuestas. El espesor de la película compuesta LN / PP / MWCNT es de aproximadamente 70 µm (como se muestra en la Fig. 3b). La estructura de la fase cristalina de las partículas de LN y la conformación de las películas compuestas se caracterizan por difracción de rayos X, como se muestra en la Fig. S2 de información de apoyo.

Fotografías de la película LN / PP / MWCNT. un Una pieza intacta de la película LN / PP / MWCNT. b Imágenes SEM de una sección transversal de la película LN / PP / MWCNT. La sección transversal ampliada de donde MWCNT c y partículas de LN d se indican con flechas rojas

El proceso de fabricación esquemático de la película y el sensor piroeléctricos LN / PP / MWCNT se muestra en la Fig. 4a; el procedimiento de calentamiento-enfriamiento y los correspondientes cambios de corriente también se ilustran esquemáticamente en la figura 4b. Las propiedades piroeléctricas del polímero compuesto se investigan más a fondo mediante el seguimiento de las señales de corriente piroeléctrica de un sensor LN / PP / MWCNT. Las corrientes piroeléctricas con diferente concentración de LN (0, 1, 2, 3, 5, 8 y 10% en peso) y 1% en peso de MWCNT se monitorean usando una estación electroquímica como se muestra en la Fig. 4c, y las corrientes de salida son monitoreado y mostrado en la Fig. 4d, e. Similar a las obleas de cristal LN, el sensor flexible PCF exhibe una dependencia obvia de la rampa de temperatura, que se muestra en la Fig. 4d. Con el rango de aumento de temperatura aumentando continuamente de 293 ~ 323 K a 293 ~ 373 K, la corriente de salida aumenta obviamente.

Efectos piroeléctricos del nanocompuesto LN / PP / MWCNT. un Diagrama esquemático del proceso de fabricación de películas compuestas LN / PP / MWCNT. b Ilustración esquemática de la estructura y el mecanismo de trabajo del nanogenerador piroeléctrico LN / PP / MWCNT:(I) el estado de polarización inicial, (II) el estado calentado y (III) el estado refrigerado del PCF LN / PP / MWCNT. c Fotografías del elemento calefactor funcionando con una fuente de alimentación de CC. d , e Corriente piroeléctrica y tendencia del sensor compuesto LN / PP / MWCNT con dependencia del aumento de temperatura y dependencia de la concentración de micropartículas LN

Además, las señales de la corriente de salida están estrechamente relacionadas con las concentraciones de micropartículas de LN. Según la Fig. 4e, las corrientes piroeléctricas aumentan con el aumento de la concentración de micropartículas de LN. Cuando la temperatura varía de 293 a 373 K con la concentración de nanopartículas de LN del 5% en peso, se observa la mayor corriente piroeléctrica hasta ~ 125 pA. Sin embargo, los efectos piroeléctricos comienzan a disminuir una vez que se incorporan más del 5% en peso de partículas de LN en la matriz de PP. Este fenómeno se debe probablemente a la desorganización de la matriz del copolímero provocada por el exceso de nanopartículas de LN. Además, el exceso de nanopartículas de LN también podría hacer que la película compuesta de LN / PP / MWCNT sea frágil y difícil de prensar en caliente. Por lo tanto, se recomienda elegir la película que contiene 3% en peso de nanopartículas de LN como fórmula adecuada para futuras investigaciones debido a su mejor propiedad piroeléctrica, mayor resistencia mecánica y menor costo.

Las películas flexibles a base de polímeros se fabrican con éxito y las propiedades piroeléctricas se caracterizan cuantitativamente. Los efectos piroeléctricos sobresalientes y la propiedad flexible harán que este compuesto sea factible de usarse en muchas condiciones, como sensores o recolectores de energía, ya que la forma de las películas podría cambiarse aleatoriamente. Sin embargo, se deben realizar investigaciones rigurosas para estudiar el mecanismo y otras aplicaciones del efecto piroeléctrico.

Conclusiones

En resumen, investigamos las propiedades piroeléctricas de la oblea de cristal LN y el compuesto LN / PP / MWCNT. La oblea LN polarizada muestra efectos piroeléctricos sobresalientes a una temperatura moderada, lo que podría inducir el autoensamblaje de micropartículas de PS y películas delgadas. Fabricamos con éxito una película compuesta flexible de LN / PP / MWCNT con efectos piroeléctricos y excelentes propiedades mecánicas. Al monitorear las corrientes de salida bajo la estimulación de temperaturas y la concentración de micropartículas de LN, se caracterizan los efectos piroeléctricos y se recomienda la concentración optimizada para investigaciones posteriores. La combinación perfecta de las propiedades piroeléctricas de las micropartículas de LN y la flexibilidad del polímero PP hará posible su uso como recolectores de energía térmica para suministrar energía eléctrica y explorar más aplicaciones.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos utilizados o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Abreviaturas

LN:

Niobato de litio

PP:

Polipropileno

FEM:

Materiales ferroeléctricos

PDR:

Detectores piroeléctricos de radiación

PZT:

Cerámicas piezoeléctricas de titanato de circonato de plomo

PVDF:

Fluoruro de polivinilideno

BaTiO ₃ :

Titanato de bario

PDMS:

Polidimetilsiloxano

PD:

Poliestireno

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

PCF:

Película compuesta piroeléctrica

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