Mempelajari Efek Piroelektrik dari Komposit Modifikasi LiNbO3

Hasil dan Diskusi

Bahan piroelektrik dapat menunjukkan polarisasi listrik spontan, yang menyebabkan perubahan muatan positif dan negatif di kedua sisi permukaan kristal dengan perubahan suhu. Di bawah suhu Curie, polarisasi spontan wafer atau partikel LN dapat diubah dengan pemanasan atau pendinginan, dan muatan elektrostatik akan dihasilkan di kedua sisi kristal seperti diagram skematik yang ditunjukkan pada Gambar. 1a. Muatan yang dihasilkan dapat dipanen dan diubah menjadi arus listrik melalui sirkuit yang telah dirancang sebelumnya. Perangkat wafer kristal LN (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b-d) dipasang pada pelat panas, di mana suhu pelat panas dapat dikontrol dengan tepat. Gambar 1e menunjukkan perubahan siklus suhu perangkat LN dan laju pemanasan yang sesuai (dT/dt). Menurut Gambar 1e, arus piroelektrik tajam ~ 40 nA diamati ketika suhu meningkat dari 298 menjadi 383 K. Ketika suhu menurun secara terbalik dari 383 ke 298 K, sinyal arus berlawanan yang diperoleh menunjukkan bahwa arus yang diukur dihasilkan oleh wafer kristal LN yang dibuat. Biasanya, arus piroelektrik I dapat digambarkan sebagai:

Piroelektrik curah kristal LN. a Diagram skematis mekanisme kerja piroelektrik wafer kristal LN:keadaan polarisasi awal, keadaan panas, dan keadaan dingin. Efek piroelektrik dicirikan menggunakan elemen pemanas. b Foto perangkat LN dengan sepotong wafer curah LN (2 cm × 2 cm). c Elemen pemanas yang digunakan untuk karakterisasi efek piroelektrik. d Foto elemen pemanas yang bekerja dengan catu daya DC. e Arus piroelektrik massal LN di bawah suhu yang berbeda. f Arus piroelektrik wafer LN dengan rentang perubahan yang berbeda dan laju peningkatan suhu

di mana p adalah koefisien piroelektrik bahan, A adalah luas elektroda, dan (dT/dt) adalah laju kemiringan suhu.

Kami selanjutnya mengatur rentang perubahan yang berbeda dan laju peningkatan suhu, dan sinyal arus yang sesuai berubah secara bersamaan, yang ditunjukkan pada Gambar. 1f. Jelas bahwa arus keluaran perangkat wafer kristal LN akan meningkat dengan rentang perubahan yang meningkat dan laju peningkatan suhu. Hasil ini menunjukkan bahwa semua sinyal yang diperoleh yang ditunjukkan pada Gambar 1e disebabkan oleh efek piroelektrik kristal LN, yang mengubah muatan piroelektrik menjadi arus listrik.

Untuk menunjukkan efek piroelektrik yang luar biasa dari wafer kristal LN, kami selanjutnya dengan jelas menggunakan interaksi elektrostatik yang didorong perakitan partikel atau film polimer tipis. Partikel atau film polimer tipis dapat dipola oleh interaksi elektrostatik yang dihasilkan oleh muatan piroelektrik sesaat. Diagram skematik pada Gambar. 2a menunjukkan proses pola muatan piroelektrik pada permukaan wafer LN dan perakitan mandiri yang diinduksi elektrostatik dari partikel mikro PS dan film tipis. Stempel PDMS lunak dibuat dengan menggunakan metode pencetakan kontak, di mana polanya ditransfer ke PDMS dari wafer silikon berpola. Ketika stempel PDMS panas dikontakkan dengan substrat wafer LN, panas dipindahkan dari stempel PDMS ke wafer LN, menginduksi perakitan partikel skala mikro berpola atau film polimer tipis pada area bermuatan. Nanopartikel PS standar dalam pelarut organik dengan diameter 60 nm dan film tipis PS (M _w =5000) dipilih untuk membentuk pola dalam proses self-assembly. Setelah mengambil partikel PS dari pelarut organik (Gbr. 2b, c) atau spin-coating lapisan tipis (dengan ketebalan 100 nm) film PS (Gbr. 2d, e) ke wafer LN, tegangan elektrostatik terakumulasi dari muatan permukaan piroelektrik yang berpola mendorong perakitan partikel dan film polimer tipis ke dalam mikroarray di area bermuatan. Berdasarkan pola pengisian yang berbeda, yang dibuat dengan menggunakan stempel PDMS berpola berbeda, kita dapat mengamati berbagai struktur rakitan sendiri. Kisi periodik melingkar ditunjukkan pada Gambar. 2b (atau pola komplementer pada Gambar. 2d), dan garis-garis linier periodik ditunjukkan pada Gambar. 2c, e.

Interaksi elektrostatik didorong kemampuan perakitan partikel atau film polimer tipis oleh efek piroelektrik dalam skala mikro. a Ilustrasi skematis menunjukkan prosedur perakitan mandiri PS nanopartikel dan pola film dengan menggunakan interaksi muatan piroelektrostatik pada wafer kristal LN yang dipanaskan. Enam puluh nanometer nanopartikel PS dipilih untuk mengkarakterisasi pola muatan. Perakitan berpola nanopartikel PS b , c dan perakitan elektrohidrodinamik dari film PS tipis d , e pada area muatan piroelektrik yang ditampilkan oleh AFM

Meskipun curah LN terpolarisasi memiliki efek piroelektrik yang luar biasa, kerapuhan, ketidakfleksibelan, dan kesulitan dalam pemrosesan akan membatasi penerapan kemampuan piroelektriknya. Kami selanjutnya membuat sensor komposit partikel-polimer, yang terdiri dari partikel mikro kristal LN dan matriks polipropilen (PP) dengan prosedur pengepresan panas. Film komposit dapat menggabungkan sifat mekanik yang sangat baik dari matriks PP dan efek piroelektrik yang unggul dari partikel LN. Untuk mendapatkan sinyal arus yang jelas dan mengurangi kesalahan pengukuran yang disebabkan oleh hambatan listrik, konsentrasi MWCNT 1 wt.% diadopsi dan tersebar merata dalam komposit LN/PP dengan coba-coba. Dibandingkan dengan film LN/PP, sensor fleksibel film komposit piroelektrik (PCF) LN/PP/MWCNT memiliki sinyal respons yang lebih tinggi, seperti ditunjukkan pada Gambar. S1 dari informasi pendukung.

Gambar SEM dari film komposit LN/PP/MWCNT fabrikasi ditunjukkan pada Gambar. 3. Dapat diamati bahwa partikel mikro LN dan MWCNT tersebar merata dalam film komposit. Ketebalan film komposit LN/PP/MWCNT adalah sekitar 70 μm (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b). Struktur fase kristal partikel LN dan konformasi film komposit dicirikan oleh difraksi sinar-x, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. S2 dari informasi pendukung.

Foto-foto film LN/PP/MWCNT. a Sepotong utuh dari film LN/PP/MWCNT. b Gambar SEM dari penampang film LN/PP/MWCNT. Penampang melintang yang diperbesar dari tempat MWCNT c dan partikel LN d ditunjukkan oleh panah merah

Proses fabrikasi skema film dan sensor piroelektrik LN/PP/MWCNT ditunjukkan pada Gambar 4a; prosedur pemanasan-pendinginan dan perubahan arus yang sesuai juga diilustrasikan secara skema pada Gambar 4b. Sifat piroelektrik dari polimer komposit diselidiki lebih lanjut dengan memantau sinyal arus piroelektrik dari sensor LN/PP/MWCNT. Arus piroelektrik dengan konsentrasi LN yang berbeda (0, 1, 2, 3, 5, 8, dan 10 wt.%) dan 1 wt.% MWCNT dipantau dengan menggunakan stasiun elektrokimia seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c, dan arus keluarannya dipantau dan ditunjukkan pada Gambar. 4d, e. Mirip dengan wafer kristal LN, sensor fleksibel PCF menunjukkan ketergantungan ramping suhu yang jelas, yang ditunjukkan pada Gambar. 4d. Dengan rentang peningkatan suhu yang terus meningkat dari 293 ~323 K menjadi 293 ~373 K, arus keluaran jelas meningkat.

Efek piroelektrik nanokomposit LN/PP/MWCNT. a Diagram skema dari proses fabrikasi film komposit LN/PP/MWCNT. b Ilustrasi skema struktur nanogenerator piroelektrik LN/PP/MWCNT dan mekanisme kerja:(I) keadaan polarisasi awal, (II) pemanasan, dan (III) keadaan pendinginan PCF LN/PP/MWCNT. c Foto elemen pemanas yang bekerja dengan catu daya DC. d , e Arus piroelektrik dan tren sensor komposit LN/PP/MWCNT dengan ketergantungan peningkatan suhu dan ketergantungan konsentrasi mikropartikel LN

Selain itu, sinyal arus keluaran terkait erat dengan konsentrasi partikel mikro LN. Menurut Gambar. 4e, arus piroelektrik meningkat dengan meningkatnya konsentrasi partikel mikro LN. Ketika suhu berkisar dari 293 to 373 K dengan konsentrasi nanopartikel LN 5 wt.%, arus piroelektrik terbesar hingga ~ 125 pA diamati. Namun, efek piroelektrik mulai berkurang setelah lebih dari 5 wt.% partikel LN tergabung dalam matriks PP. Fenomena ini mungkin karena disorganisasi matriks kopolimer yang disebabkan oleh nanopartikel LN berlebih. Selain itu, kelebihan nanopartikel LN juga dapat membuat film komposit LN/PP/MWCNT menjadi rapuh dan sulit untuk dipres. Oleh karena itu, direkomendasikan untuk memilih film yang mengandung 3 wt.% LN nanopartikel sebagai formula yang tepat untuk penelitian lebih lanjut karena sifat piroelektriknya yang lebih baik, kekuatan mekanik yang lebih tinggi, dan biaya yang lebih rendah.

Film fleksibel berbasis polimer berhasil dibuat, dan sifat piroelektrik dikarakterisasi secara kuantitatif. Efek piroelektrik yang luar biasa dan sifat fleksibel akan membuat komposit ini layak untuk digunakan dalam banyak kondisi seperti sensor atau pemanen energi karena bentuk film dapat diubah secara acak. Namun, penyelidikan yang ketat harus dilakukan untuk mempelajari mekanisme dan aplikasi lebih lanjut dari efek piroelektrik.