Исследование сегнетоэлектрических нанокомпозитов на основе P(VDF-TrFE) методами сканирующей зондовой микроскопии

Нанокомпозиты на основе керамики и полимеров сочетают в себе качества составляющих их компонентов: гибкость, упругость, перерабатываемость полимеров и характерные для стекол твердость, устойчивость к износу, высокий показатель светопреломления. Благодаря этому улучшаются многие свойства материалов по сравнению с исходными компонентами. В последнее время исследователи проявляют большой интерес к изучению свойств сложных композитных соединений. Во-первых, это связано с уникальными свойствами таких структур по сравнению с «обычными», однородными по составу веществами.  Во-вторых, — с  тем, что подобные соединения могут оказаться значительно более дешевыми, чем однородные структуры, при условии, что композит по ряду физических показателей и в диапазоне заданных параметров (температуры, частоты приложенного поля и т.д.) идентичен однородным веществам. Так, сегнетоэлектрические полимеры типа поливинилиденфторида (PVDF) и сополимеры на его основе нашли широкое применение в качестве функциональных элементов различных электротехнических устройств в современной электронике за счет своих относительно высоких пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств. Высокая спонтанная поляризация и образование полярных нецентросимметричных кристаллов обуславливают появление в этих материалах высокой пьезо- и пироактивности. Методами сканирующей зондовой микроскопии исследованы сегнетоэлектрические нанокомпозиты различных составов. В качестве образца-матрицы для исследования локального переключения поляризации на наномасштабе был выбран сополимер винилиденфторида с трифторэтиленом P(VDF-TrFE), обладающий достаточно высокой долей кристалличности. В качестве наполнителя для композита выбраны порошки сегнетоэлектриков титаната бария BaTiO₃ и дейтерированного триглицинсульфата DTGS, керамический порошок цирконата-титаната бария свинца BPZT. Показано, что эти материалы являются перспективными для использования в качестве элементов памяти. 

1. Сатл Н. Новые пьезоэлектрические полимеры. Материалы и дизайн. 1998; 9(6): 318—324.

2. Тамура М. Свойства и применение пьезоэлектрических полимеров. Материалы ультразвукового симпозиума. 1987: 344—346.

3. Чвалун С.Н. Полимерные нанокомпозиты. Природа. 2000; (7): 22—30.

4. Живулин B.E., Жеребцов Д.А., Лебедева С.М., Штенберг М.В., Осипов А.А., Песин Л.А. Синтез и свойства продуктов высокотемпературной термической обработки поливинилиденфторида. Физика твердого тела. 2017; 59(2): 394—398. https://doi.org/10.21883/FTT.2017.02.44069.247

5. Солнышкин А.В., Морсаков И.М., Канарейкин А.Г., Богомолов А.А. Пироэлектрический эффект в композитах на основе сополимера P(VDF-TrFE) и сегнетоэлектрической керамики ЦТБС. Известия РАН. Сер. физическая. 2010; 74(9): 1343—1346.

6. Солнышкин А.В., Кислова И.Л., Белов А.Н., Сыса А.В., Строганов А.А., Шевяков В.И., Силибин М.В., Михалчан А.А., Лысенко А.А. Электропроводность пленочных композитов на основе поливинилиденфторида с углеродными нанотрубками. Известия вузов. Электроника. 2016; 21(6): 520—528.

7. Noda K., Ishida K., Kubono A., Horiuchi T., Yamada H., Matsushige K. Structures and ferroelectric natures of epitaxially grown vinylidene fluoride oligomer thin films. Japanese Journal of Applied Physics. 2000; 39-1(11): 6358—6363.

8. Veprek S., Argon A.S. Towards the understanding of mechanical properties of super- and ultrahard nanocomposites. J. Vac. Sci. and Technol. 2002; 20(2): 650—664. https://doi.org/10.1116/1.1459722

9. Kuntz J.D., Zhan G.-D., Mukherjee A.K. Nanocrystalline-matrix ceramic composites for improved fracture toughness. MRS Bulletin. 2004; (1): 22—27. https://doi.org/10.1557/mrs2004.12

10. Солнышкин А.В., Киселев Д.А., Богомолов А.А., Холкин А.Л., Künstler W., Gerhard R. Исследование сегнетоэлектрических пленок сополимера P(VDF-TRFE) и композитов на его основе методом атомной силовой микроскопии. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008;(9):18—21.

11. Solnyshkin A.V., Morsakov I.M., Bogomolov A.A., Belov A.N., Vorobiev M.I., Shevyakov V.I., Silibin M.V., Shvartsman V.V. Dynamic pyroelectric response of composite based on ferroelectric copolymer of poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) and ferroelectric ceramics of barium lead zirconate titanate. Appl. Phys. A. 2015; 121: 311—316. https://doi.org/10.1007/s00339-015-9446-z

12. Живулин B.E., Жеребцов Д.А., Лебедева С.М., Штенберг М.В., Осипов А.А., Песин Л.А. Синтез и свойства продуктов высокотемпературной термической обработки поливинилиденфторида. Физика твердого тела. 2017; 59(2): 394—398. https://doi.org/10.21883/FTT.2017.02.44069.247

13. Данилов А.Ю. Получение полимерных композитов с высокими сегнетоэлектрическими и термическими свойствами: дис. … канд. хим. наук. Тверь; 2015. 117 с.

14. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Уч. пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. Нижний Новгород: ИФМ РАН; 2004. 114 с.

15. Кочервинский В.В., Киселев Д.А., Малинкович М.Д., Корлюков А.А., Локшин Б.В., Волков В.В., Киракосян Г.А., Павлов А.С. Топография поверхности, кристаллическая и доменная структура пленок сегнетоэлектрического сополимера винилиденфторида с трифторэтиленом. Кристаллография. 2017; 62(2): 317—330. https://doi.org/10.7868/S002347611702014X

16. Кочервинский В.В., Киселев Д.А., Малинкович М.Д., Павлов А.С., Козлова Н.В., Шмакова Н.А. Влияние структуры сегнетоэлектрического сополимера винилиденфторида с тетрафторэтиленом на характеристики локального пьезоэлектрического отклика. Высокомолекулярные соединения. Сер. А. 2014; 56(1): 53—68. DOI: 10.7868/S2308112014010064

17. Silibin M.V., Solnyshkin A.V., Kiselev D.A., Morozovska A.N., Eliseev E.A., Gavrilov S.A., Malinkovich M.D., Lupascu D.C., Shvartsman V.V. Local ferroelectric properties in polyvinylidene fluoride/barium lead zirconate titanate nanocomposites: Interface effect. J. Appl. Phys. 2013; 114(14): 144102. https://doi.org/10.1063/1.4824463