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铁电聚合物薄膜铁电压电机理的微观研究

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第一章 引言

第二章有机铁电体宏观开关特性研究

2.1 铁电薄膜样品的制备

2.2宏观开关峰测量原理及实验装置

2.3实验结果及讨论

2.3.1退火处理对开关电流峰的影响

2.3.2不同开关电流峰的比较

2.3.3退火温度对开关峰的影响

2.3.4退火处理时间对开关特性的影响

2.3.5 P-V滞回线的观测

2.4本章小结

参考文献

第三章有机铁电薄膜表面形貌的SPM研究

3.1样品制备

3.2 P(VDF/TrFE)薄膜形貌的SPM研究

3.2.1未退火P(VDF/TrFE)薄膜形貌

3.2.2退火过程对薄膜形貌的影响

3.2.3高结晶度薄膜形貌研究

3.2.4熔融结晶P(VDF/TrFE)膜表面形貌研究

3.2.5极化过程对薄膜形貌的影响

3.2.6一些有趣的精细结构

3.2.7 STM、AFM形貌比较

3.3讨论

3.3.1关于金膜的“修饰(Decoration)”作用

3.3.2关于极化对形貌的影响

3.3.3关于熔融结晶的薄膜形貌

3.3.4关于条状畴的精细结构

3.4 小结

参考文献

第四章力调制技术在区分铁电薄膜晶畴、非晶畴中的应用

4.1力调制技术简介

4.2局域弹性模量的估算原理

4.3实验结果

4.3.1力调制技术区分高弹性畴和低弹性畴

4.3.2力调制相位图

4.3.3不同结晶度样品力调制图像的比较

4.3.4力调制技术研究退火时间对样品结晶特性的影响

4.3.5局域弹性模量的估算

4.4讨论

4.4.1高、低弹性畴与晶畴、非晶畴的对应关系

4.4.2高低结晶度样品微观结构的比较

4.4.3关于局域机械特性的测定

4.5结论

参考文献

第五章有机铁电体微观铁电特性研究

5.1局域铁电特性研究的实验技术

5.2局域铁电研究实验结果

5.2.1未退火薄膜局域铁电、压电特性研究

5.2.2退火样品局域铁电、压电性研究

5.3讨论

5.3.1关于局域铁电探测技术的分辨率

5.3.2关于有机铁电体的“电活性(electric activity)”

5.3.3关于非晶铁电性

5.3.4关于退极化态

5.3.5关于振动畴和非振动畴的共存

5.3.6关于蝴蝶回线生长过程的时间延迟

5.4小结

参考文献

第六章有机铁电特征及其机理模型

6.1有机铁电特性

6.2新的铁电压电机理模型

6.3讨论

6.3.1非晶铁电性

6.3.2负压电效应

6.3.3非晶压电性和晶态压电性的比较

6.3.4电极效应

6.3.5退极化态下的非线性振动

6.4小结

参考文献

总结

致谢

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摘要

有机压电、铁电性的发现和研究更进一步开拓了人们对压电、铁电性的认识。1969年,Kawai发现了PVDF材料具有极强的压电效应;1971年,Bergman和Wada等发现PVDF薄膜同样具有热释电性;不久PVDF及其共聚物的铁电性又在一些实验中得以证实。PVDF家族压电铁电效应的发现被认为是有机换能器领域发展的里程碑。但是自从有机铁电性发现以来,铁电压电性究竟是材料本身固有的特性,还是得益于陷阱电荷的影响,一直在学术界存在争议。利用原子力显微镜及其优异的原子分辨率,本论文研究了P(VDF/TrFE)薄膜微观铁电压电特性。论文从宏观开关峰的研究入手,研究材料制备过程对薄膜特性的影响(第二章),结果表明只有在合适的退火温度(高于材料居里温度,略低于材料熔点)下薄膜的结晶性能才能得到极人的提高,材料内部缺陷得以减少。论文作者研究了退火过程及极化过程对薄膜形貌的影响(第三章)。高结晶度薄膜表面布满菊花状条状畴结构;在熔融结晶薄膜表面探测到了清楚的螺旋生长的痕迹,且由于各生长点具有相同的生长速度和时间,薄膜表面被平直的“脊”状结构所分割。极化研究观测到清楚的形貌的改变,开发电场力显微镜技术,研究薄膜表面局域电荷的分布,从而反证了极化后形貌的改变不可能来自局域电荷的影响。论文作者采用力调制技术试图区分半晶聚合物材料的微观晶畴和非晶畴(第四章)。结果表明,力调制图像成功在薄膜表面成像了两种弹性性质相差悬殊的两类畴(文中称为高弹性畴和低弹性畴),并推测高弹性畴对应于材料的品畴,而低弹性畴对应于材料的非晶畴。Sneddon理论估算高低弹性畴弹性相差3.0~4.5倍。局域铁电压电特性的研究探测到很多新奇的,有些甚至是完全有别于传统铁电理论或宏观观测的研究结果。论文作者发现了非晶铁电性,局域退极化态,振动畴和非振动畴的共存,在双峰振动研究中得到了局域蝴蝶同线生长发展的过程(第五章)。这些现象均无法用传统的铁电模型来加以解释。在上述实验研究和初步分子模拟的基础上,本论文作者尝试提出一种新的有机铁电压电机理模型(第六章),并用此模型对上述实验事实以及前人研究工作加以阐释。

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