LiNbO3 변형 복합 재료의 초전 효과 연구

결과 및 토론

초전 재료는 자발적인 전기 분극을 나타낼 수 있으며 온도 변화에 따라 결정 표면의 양쪽에서 양전하와 음전하가 변화합니다. 퀴리 온도 이하에서 LN 웨이퍼 또는 입자의 자발적 분극은 가열 또는 냉각에 의해 변경될 수 있으며, 그림 1a에 도시된 개략도와 같이 결정의 양쪽에 정전기 전하가 생성된다. 생성된 전하는 미리 설계된 회로를 통해 수확되어 전류로 변환될 수 있습니다. LN 크리스탈 웨이퍼 장치(그림 1b-d 참조)는 열판에 부착되어 열판의 온도를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 그림 1e는 LN 장치의 온도와 해당 가열 속도(dT/dt)의 주기적 변화를 보여줍니다. 그림 1e에 따르면 온도가 298 에서 383 K로 증가할 때 ~ 40 nA의 날카로운 초전류가 관찰되며 온도가 383 에서 298 K로 역으로 감소할 때 얻은 반대 전류 신호는 측정된 전류가 다음과 같이 생성됨을 나타냅니다. 제작된 LN 크리스탈 웨이퍼. 일반적으로 초전류 I 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

LN 수정체 벌크의 초전기. 아 LN 수정 웨이퍼의 초전 작동 메커니즘의 개략도:초기 분극 상태, 가열 상태 및 냉각 상태. 발열체를 사용하는 것을 특징으로 하는 초전 효과. ㄴ LN 벌크 웨이퍼(2cm × 2cm) 조각이 있는 LN 장치의 사진. ㄷ 초전 효과 특성화에 사용되는 발열체. d DC 전원 공급 장치와 함께 작동하는 발열체 사진. 이 다른 온도에서 LN 벌크의 초전류. 에 다양한 변화 범위와 온도 상승률을 갖는 LN 웨이퍼의 초전류

여기서 p는 재료의 초전성 계수, A는 전극 면적, (dT/dt)는 온도의 램핑 속도입니다.

우리는 온도의 다른 변화 범위와 램핑 속도를 추가로 설정하고 해당 전류 신호는 동시에 변경되며, 이는 그림 1f에 나와 있습니다. LN 크리스탈 웨이퍼 장치의 출력 전류는 온도의 변화 범위와 램핑 속도가 증가함에 따라 증가할 것이 분명합니다. 이러한 결과는 그림 1e에 표시된 모든 신호가 초전하를 전류로 변환하는 LN 결정의 초전 효과로 인한 것임을 나타냅니다.

LN 결정 웨이퍼의 뛰어난 초전 효과를 나타내기 위해 정전기 상호 작용 기반 입자 또는 얇은 고분자 필름의 자체 조립을 더욱 생생하게 사용했습니다. 입자 또는 얇은 폴리머 필름은 순간적인 초전하로 생성된 정전기적 상호작용에 의해 패턴화될 수 있습니다. 그림 2a의 개략도는 LN 웨이퍼 표면의 초전하 패턴화 과정과 PS 미세 입자와 박막의 정전기 유도 자기 조립을 보여줍니다. 부드러운 PDMS 스탬프는 패턴이 패턴화된 실리콘 웨이퍼에서 PDMS로 전사되는 접촉 인쇄 방법을 사용하여 제조됩니다. 뜨거운 PDMS 스탬프가 LN 웨이퍼 기판과 접촉하면 PDMS 스탬프에서 LN 웨이퍼로 열이 전달되어 하전된 영역에 입자 또는 얇은 폴리머 필름의 패턴화된 마이크로 스케일 어셈블리를 유도합니다. 60 nm 직경의 유기용매와 PS 박막(M _w =5000) 자체 조립 과정에서 패턴을 형성하기 위해 선택됩니다. 유기 용매(그림 2b, c)에서 PS 입자를 취하거나 PS 필름(그림 2d, e)의 얇은 층(두께 100 nm)을 LN 웨이퍼에 스핀 코팅한 후 정전기 응력이 축적되었습니다. 패터닝된 초전기 표면 전하로부터 입자 및 얇은 폴리머 필름의 조립이 대전 영역에서 마이크로어레이로 구동됩니다. 서로 다른 패턴의 PDMS 스탬프를 사용하여 제작된 서로 다른 전하 패턴을 기반으로 다양한 자가 조립 구조를 관찰할 수 있습니다. 원형 주기 격자는 그림 2b(또는 그림 2d의 상보적 패턴)에 표시되고 주기적인 선형 줄무늬는 그림 2c, e에 표시됩니다.

마이크로 스케일의 초전 효과에 의한 입자 또는 얇은 폴리머 필름의 정전기 상호 작용 구동 자기 조립 능력. 아 개략도는 가열된 LN 결정 웨이퍼에서 초정전 전하 상호작용을 사용하여 PS 나노입자 및 필름 패터닝 자가 조립 절차를 보여줍니다. 60나노미터의 PS 나노입자가 전하 패턴을 특성화하기 위해 선택됩니다. PS 나노입자의 패턴화된 어셈블리 b , ㄷ 및 박막 PS 필름의 전기유체역학적 조립 d , e AFM이 특징으로 하는 초전기 충전 영역에서

분극화된 LN ​​벌크는 초전 효과가 탁월하지만 취약성, 유연성 및 가공의 어려움으로 인해 초전 능력의 적용이 제한됩니다. 우리는 핫 프레싱 절차에 의해 LN 결정 미세 입자와 폴리프로필렌(PP) 매트릭스로 구성된 입자-고분자 복합 센서를 추가로 제작했습니다. 복합 필름은 PP 매트릭스의 우수한 기계적 특성과 LN 입자의 우수한 초전 효과를 통합할 수 있습니다. 명백한 전류 신호를 얻고 전기 저항으로 인한 측정 오류를 줄이기 위해 1 wt.% 농도의 MWCNT를 채택하고 시행 착오를 통해 LN/PP 복합 재료에 균일하게 분산시켰다. LN/PP 필름에 비해 LN/PP/MWCNT 초전성 복합 필름(PCF) 플렉시블 센서는 지원 정보의 그림 S1과 같이 더 높은 응답 신호를 가지고 있습니다.

제작된 LN/PP/MWCNT 복합막의 SEM 이미지는 Fig. 3과 같다. LN/PP/MWCNT 복합 필름의 두께는 약 70 μm입니다(그림 3b 참조). LN 입자의 결정상 구조와 복합 필름의 구조는 지원 정보의 그림 S2에서 볼 수 있는 것처럼 x-선 회절을 특징으로 합니다.

LN/PP/MWCNT 필름의 사진. 아 LN/PP/MWCNT 필름의 온전한 조각. ㄴ LN/PP/MWCNT 필름 단면의 SEM 이미지. MWCNT c 확대 단면 및 LN 입자 d 빨간색 화살표로 표시됩니다.

초전성 LN/PP/MWCNT 필름과 센서의 개략적인 제조 공정은 그림 4a에 나와 있습니다. 가열 냉각 절차 및 해당 전류 변화도 그림 4b에 개략적으로 설명되어 있습니다. 복합 폴리머의 초전 특성은 LN/PP/MWCNT 센서의 초전 전류 신호를 모니터링하여 추가로 조사됩니다. 다른 LN 농도(0, 1, 2, 3, 5, 8 및 10 wt.%)와 1 wt.% MWCNT를 갖는 초전 전류는 그림 4c와 같이 전기화학 스테이션을 사용하여 모니터링되며 출력 전류는 다음과 같습니다. 모니터링 및 도 4d에 도시됨, e. LN 크리스탈 웨이퍼와 유사하게 PCF 플렉서블 센서는 그림 4d에 표시된 것과 같이 명백한 온도 램핑 의존성을 나타냅니다. 온도 램핑 범위가 293 ~323 K에서 293 ~373 K로 지속적으로 증가하면 출력 전류가 분명히 증가합니다.

LN/PP/MWCNT 나노복합체의 초전 효과. 아 LN/PP/MWCNT 복합 필름 제조 공정의 개략도. ㄴ LN/PP/MWCNT 초전 나노발전기 구조 및 작동 메커니즘의 개략도:(I) 초기 분극 상태, (II) 가열 및 (III) LN/PP/MWCNT PCF의 냉각 상태. ㄷ DC 전원 공급 장치와 함께 작동하는 발열체 사진. d , e 온도 램핑 의존성과 LN 미세입자 농도 의존성을 갖는 LN/PP/MWCNT 복합 센서의 초전류 및 경향

또한, 출력 전류 신호는 LN 미세 입자의 농도와 밀접한 관련이 있습니다. Fig. 4e에 따르면 초전전류는 LN 미립자의 농도가 증가함에 따라 증가한다. LN 나노입자 농도가 5 wt.%인 상태에서 온도 범위가 293 ~373 K일 때 ~ 125pA까지 가장 큰 초전류가 관찰됩니다. 그러나 초전 효과는 5 wt.% 이상의 LN 입자가 PP 매트릭스에 통합되면 감소하기 시작합니다. 이 현상은 아마도 과잉 LN 나노입자에 의한 공중합 매트릭스의 해체 때문일 것이다. 또한, 과도한 LN 나노 입자는 LN/PP/MWCNT 복합 필름을 깨지기 쉽고 열간 압착하기 어렵게 만들 수 있습니다. 따라서 3 wt.% LN 나노 입자를 포함하는 필름을 더 나은 초전 특성, 더 높은 기계적 강도 및 더 낮은 비용으로 인해 추가 연구를 위한 적절한 공식으로 선택하는 것이 좋습니다.

고분자 기반 연성 필름이 성공적으로 제작되었으며 초전 특성을 정량적으로 특성화했습니다. 뛰어난 초전 효과와 유연한 특성으로 인해 이 복합 재료는 필름의 모양이 무작위로 변경될 수 있기 때문에 센서 또는 에너지 하베스터와 같은 많은 조건에서 사용할 수 있습니다. 그러나 초전 효과의 메커니즘과 추가 응용 프로그램을 연구하려면 엄격한 조사가 수행되어야 합니다.