Polarisasi Sendiri PVDF yang Diberdayakan oleh Substrat Hidrofilik untuk Sensor Piroelektrik dengan Noise Sangat Rendah
Abstrak
Film polyvinylidenida fluoride (PVDF) semakin banyak digunakan dalam elektronik fleksibel untuk kemampuan piezo-, piroelektrik, dan ferroelektriknya. Namun, pembuatan konvensional film yang di-pole biasanya memerlukan beberapa langkah peregangan dan polling suhu tinggi, yang membatasi skalabilitas dan meningkatkan kepadatan cacat. Kami menyajikan proses cetak yang efisien yang memanfaatkan modifikasi permukaan kaca hidrofilik untuk menginduksi polisasi sendiri spontan. Film yang dihasilkan menunjukkan konten fase beta naik hingga 76,05 % setelah 8 jam perawatan piranha, dan menghasilkan keluaran piroelektrik yang sebanding dengan sekutunya yang di-pole termal—semua tanpa medan polling eksternal. Untuk menekan kebisingan piezoelektrik yang diinduksi getaran lebih lanjut, kami mengintegrasikan film ke dalam arsitektur sensor berlapis dua baru. Dibandingkan dengan desain monolis, sensor berlapis dua mencapai rasio sinyal-kebisingan (SNR) 38 dB versus 18 dB, menunjukkan pengurangan 93 % interferensi piezoelektrik. Temuan ini membuka jalan berbiaya rendah dan berkinerja tinggi untuk sensor inframerah dan suhu wearable di lingkungan yang bising.
Pendahuluan
PVDF dan kopolimer telah muncul sebagai kandidat terdepan untuk perangkat wearable dan sensor multifungsi karena respons piezo- dan piroelektrik yang kuat, fleksibilitas, dan kemampuan proses larutan [1‑11]. Namun, mengekstrak performa piroelektrik yang kuat tetap menjadi tantangan. Rute konvensional melibatkan dua langkah yang berbeda: (i) peregangan mekanis atau elektromekanis untuk memperkaya fase beta, dan (ii) polling termal untuk menyelaraskan vektor dipol tegak lurus terhadap permukaan film [12‑20]. Urutan dua langkah ini sering menghasilkan film dengan area aktif yang terbatas, kepadatan cacat yang tinggi, dan stabilitas yang buruk, dan memerlukan penanganan yang cermat untuk menghindari keliklistrikan [12‑20]. Selain itu, piezoelektrik inherent PVDF membuat sensor inframerah monolis sangat rentan terhadap getaran lingkungan, mengurangi kualitas sinyal piroelektrik.
Studi terbaru telah mengeksplorasi strategi polisasi sendiri yang melewati polling eksternal, seperti cetak pada substrat yang kaya garam [21‑25], spin coating [26‑27], deposi Langmuir–Blodgett [28], elektrospinning [29‑35], dan larutan garam air [36]. Sementara metode ini dapat meningkatkan piezoelektrik, mereka jarang menangani performa piroelektrik, dan banyak yang terbatas pada film ultra tipis atau memerlukan aditif tambahan. Pendekatan yang menggabungkan keramik piezoelektrik (misalnya, PZT) untuk membatalkan kebisingan getaran adalah cumbersome dan sering kali menurunkan performa dielektrik komposit PVDF [37‑39]. Akibatnya, rute yang efisien dan dapat diskalakan untuk film PVDF piroelektrik berkualitas tinggi dan sensor dengan noise rendah masih dibutuhkan.
Dalam karya ini, kami memperkenalkan teknik cetak sederhana pada kaca yang diperlakukan hidrofilik yang tidak hanya meningkatkan konten fase beta tetapi juga menginduksi polisasi sendiri spontan. Kami lebih lanjut menunjukkan sensor piroelektrik berlapis dua yang menekan kebisingan piezoelektrik dengan memanfaatkan tanda yang berlawanan dari koefisien piroelektrik dan piezoelektrik PVDF. Pendekatan terintegrasi ini menawarkan jalur yang menjanjikan untuk sensor inframerah dan suhu yang kuat dan hemat biaya yang cocok untuk lingkungan yang kasar dan bising.
Metode
Persiapan Film PVDF dan Sensor Piroelektrik Berlapis Dua
Gambar 1 menguraikan alur kerja pembuatan. Substrat kaca pertama-tama direndam dalam larutan piranha (H₂SO₄ 98 % + H₂O₂ 30 % dalam rasio volume 7:3) dan dianil pada 60 °C selama 2–8 jam untuk menghasilkan permukaan hidrofilik yang kaya grup Si–OH. Bubuk PVDF (Mw rata-rata ≈ 5,34 × 10⁵ g mol⁻¹, Sigma-Aldrich) dispersi dalam N-metil-pirrolidon (NMP, kemurnian 99 %) pada 10 wt % dan diaduk pada 50 °C selama 4 jam hingga larutan homogen diperoleh. Larutan dicetak pada substrat yang diperlakukan dan dikeringkan pada 80 °C selama 10 jam untuk menghilangkan NMP. Untuk meminimalkan efek tepi, area tengah 10 mm × 10 mm dipotong dari film 50 mm × 50 mm, menghasilkan sampel tebal 50 µm. Elektroda aluminium (≈ 100 nm) diavaporasi di kedua sisi untuk pengukuran listrik.
Ilustrasi proses pembuatan film dan perangkat PVDF. Langkah 1, substrat kaca direndam dalam larutan piranha selama 2–8 jam. Langkah 2, larutan PVDF yang telah diaduk rata dicetak pada substrat dan dikeringkan pada 80 °C selama 10 jam. Langkah 3, film PVDF dikupas dari substrat, dan tepinya dipotong untuk menghilangkan efek tepi. Langkah 4, aluminium diavaporasi pada kedua sisi film sebagai elektroda. Langkah 5, perangkat berlapis dua dibuat dengan menggunakan pilar PDMS yang didukung di antara kedua lapis sebagai pemisah. Juga ditunjukkan skema grup hidroksi yang terikat pada permukaan substrat kaca setelah perawatan, pembentukan ikatan hidrogen setelah cetak PVDF, dan susunan teratur dari lapisan "ultra-tipis" di bagian bawah film PVDF
Lubang dengan diameter 1 mm dibuat pada plat akrilik tebal 1 mm menggunakan laser daya tinggi (tipe 4060, Ketai). Pilar polidimetilsiloksan (PDMS) dicetak ke dalam lubang dengan mencampur dasar dan agen pengental pada rasio berat 10:1 dan mengurangi pada 60 °C selama 10 jam. Sensor berlapis dua dirakit dengan menempel dua film PVDF yang di-pole dengan lima pilar menggunakan perekat (tipe 810, LEAFTOP).
Karakterisasi Fisik dan Metode Pengujian
Sudut kontak (CA) diukur dengan meter JC2000D1 untuk mengukur hidrofilik substrat. Spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) (NICOLET 6700) menilai komposisi fase. Kalorimetri inding selang (DSC 7020) mengukur kristalinita. Mikroskopi elektron semsan (SEM Inspect F50) memeriksa morfologi permukaan. Kurva perpindahan listrik–listrik (D–E) direkam dengan analyzer HVI40904-523. Konstanta dielektrik diperoleh dengan analyzer impedansi 4294A. Untuk pengukuran piroelektrik, penyesuaian khusus berdasarkan modulasi listrik digunakan: laser pulsed 980-nm didorong oleh generator gelombang persegi, dan arus yang dihasilkan difolok dan direkam pada osiloskop DSOX3012A. Respons piezoelektrik diukur dengan getaran yang didorong oleh generator gelombang persegi yang serupa.
Hasil dan Pembahasan
Film PVDF
Gambar 2a menunjukkan bahwa CA substrat kaca menurun seiring waktu perendaman, memuaskan setelah 8 jam, yang menunjukkan peningkatan hidrofilik karena lebih banyak grup Si–OH. Tren ini berkorelasi dengan gaya pelarisan yang lebih tinggi (inset). Data DSC (Gambar 2b) mengungkapkan bahwa kristalinita film yang dirawat 8 jam meningkat >50 % dibandingkan sampel yang tidak dirawat. Spektra FTIR (Gambar 2c) menampilkan pergeseran progresif dari puncak fase alfa pada 764 cm⁻¹ ke puncak fase beta pada 840 cm⁻¹; konten fase beta yang dihitung mencapai 76,05 % setelah 8 jam—sekitar 50 % lebih tinggi daripada film yang tidak dirawat.
a CA substrat kaca yang dirawat dalam piranha untuk waktu yang berbeda, inset adalah gaya pelarisan sebagai fungsi waktu perawatan. b Pola DSC sampel PVDF. c Spektra FTIR sampel PVDF, inset adalah konten fase beta sebagai fungsi waktu perawatan yang dihitung dari hasil FTIR. d Respons piroelektrik sampel PVDF tanpa melalui polling termal, inset adalah skema yang disederhanakan dari sirkuit baca sinyal buatan sendiri
Secara menakjubkan, film yang dirawat menunjukkan arus piroelektrik yang jelas—yang tidak ada dalam kontrol yang tidak dirawat—menunjukkan bahwa permukaan hidrofilik tidak hanya mempromosikan pembentukan fase beta tetapi juga menginduksi perataan dipol spontan. Percobaan polling komparatif (Fig. 3b) menunjukkan bahwa polisasi film yang dirawat setara dengan medan polling termal konvensional ~23 MV m⁻¹, sementara polling terbalik dapat hampir sepenuhnya membatalkan dipol yang diinduksi, mengonfirmasi mekanisme relai bawah-ke-atas yang diotor oleh ikatan hidrogen pada antarmuka film/substrat (Fig. 3a). Pengaturan bawah-ke-atas ini melewati sub-lapisan berturut-turut, berakhir pada film 50 µm yang terpolir secara seragam.
Sensor Piroelektrik Berlapis Dua
Untuk mengurangi kebisingan piezoelektrik, kami merancang arsitektur berlapis dua di mana dua film PVDF identik dipisahkan oleh lima pilar PDMS. Film atas berfungsi sebagai elemen sensitif suhu, sementara film bawah berfungsi sebagai referensi kompensasi getaran. Simulasi elemen hingga (COMSOL Multiphysics) mengonfirmasi bahwa pilar memberikan isolasi termal yang baik (dT/dt pada lapis bawah tetap datar) dan kopling mekanis yang memastikan respons piezoelektrik yang hampir identik di kedua lapis. Pengukuran eksperimental (Gambar 4e,f) menunjukkan bahwa kebisingan piezoelektrik sensor berlapis dua menurun dari ~0,5 V (monolis) menjadi ~0,05 V, sementara sinyal piroelektrik tetap ~4,1 V, menghasilkan SNR 38 dB dibandingkan 18 dB untuk desain monolis. Pengurangan kebisingan 93 % ini memvalidasi keefektifan desain berlapis dua untuk operasi di lingkungan akustik yang bising.
Hasil simulasi dan pengukuran dari sensor piroelektrik berstruktur berlapis dua. a Skema struktur perangkat yang dieksplorasi. b Model dan hasil simulasi respons piezoelektrik. c Model dan hasil simulasi termal. d Foto optik perangkat yang dibuat. e Respons piezoelektrik pada berbagai frekuensi. f Respons perangkat berlapis dua dan monolis konvensional ketika diberi rangsang secara bersamaan oleh getaran mekanis (5 Hz) dan iradiasi termal (1 Hz)
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan metode cetak yang mudah dan dapat diskalakan yang menggunakan perawatan kaca hidrofilik untuk memolisir sendiri film PVDF. Proses ini meningkatkan konten fase beta hingga 76 % dan menghilangkan kebutuhan akan polling eksternal, sementara menghasilkan keluaran piroelektrik yang kuat. Memadukan film ini ke dalam arsitektur sensor berlapis dua menekan kebisingan piezoelektrik sebesar ~93 % dan mempertahankan SNR tinggi 38 dB, jauh melebihi desain monolis konvensional. Strategi ini membuka jalan bagi sensor inframerah dan suhu hemat biaya dan berkinerja tinggi yang cocok untuk aplikasi wearable dan lingkungan kasar.
