en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2024-91-07-109-120
УДК: 539.32; 537.226.4
Исследование стабильности свойств акустооптических преобразователей на основе пленок поливинилиденфторида при воздействии внешних факторов
Осипков А.С., Макеев М.О., Солодилов В.И., Моисеев К.М., Михалев П.А., Макарова К.Т., Еманов Д.П., Паршин Б.А., Хромова М.А. Исследование стабильности свойств акустооптических преобразователей на основе пленок поливинилиденфторида при воздействии внешних факторов // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 7. С. 109–120. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-07-109-120
Osipkov A.S., Makeev M.O., Solodilov V.I., Moiseev K.M., Mikhalev P.A., Makarova K.T., Emanov D.P., Parshin B.A., Khromova M.A. Stability of acousto-optical converter properties based on polyvinylidene fluoride films under external influence [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 7. P. 109–120. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-07-109-120
Предмет исследования. Акустооптический преобразователь на основе пленки поливинилиденфторида с нанесенными на обе ее поверхности прозрачными электродами из оксида индия-олова. Цель работы. Определение стабильности механических, пьезоэлектрических и оптических свойств акустооптических преобразователей на основе пленки поливинилиденфторида с нанесенными на обе ее поверхности прозрачными электродами из оксида индия-олова при ее изготовлении и эксплуатации в условиях воздействия пониженной и повышенной температур. Метод. Измерение механических характеристик образцов при растяжении в двух направлениях вытяжки (вдоль и поперек направления вытяжки полимерной пленки) при комнатной температуре. Исследование методом динамического механического анализа в температурном диапазоне от 30 до 180 °С. Измерение пьезоэлектрического коэффициента d33 при температурном воздействии в диапазоне от –40 до +80 °С методом, основанным на измерении индуцируемого заряда на поверхности электродов, сгенерированного импульсным силовым воздействием при падении шарика. Измерение коэффициента пропускания в видимом диапазоне длин волн от 380 до 780 нм и расчет коэффициента светопропускания. Основные результаты. Собран экспериментальный стенд, позволяющий проводить измерение пьезоэлектрического коэффициента d33 в широком диапазоне температур. Получены результаты механических испытаний при статическом и динамическом нагружениях пленки поливинилиденфторида до и после нанесения электродов из оксида индия-олова. Определены температурные зависимости коэффициента d33 такой структуры в диапазоне температур от –40 до +80 °С, а также приведены результаты измерения оптических свойств образцов после воздействия пониженной и повышенной температур. Практическая значимость. На основе полученных зависимостей выработаны рекомендации к условиям эксплуатации и хранения акустооптических устройств на основе исследуемых структур, а также технологическим режимам их изготовления.
акустооптический преобразователь, поливинилиденфторид, пьезоэлектрические коэффициенты, механические характеристики, температурная зависимость, оптические свойства, оксид индия-олова
Благодарность:работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FSFN-2022-0007).
Коды OCIS: 160.1050, 160.5470
Список источников:1. Кочервинский В.В. Свойства и применение фторсодержащих полимерных пленок с пьезо- и пироактивностью // Успехи химии. 1994. Т. 63. № 4. С. 383–388.
Kochervinskii V.V. The properties and applications of fluorine-containing polymer films with piezo- and pyro-activity // Russ. Chem. Rev. 1964. V. 63. P. 367–371. https://doi.org/10.1070/RC1994v063n04ABEH000090
2. Kim K.L., Wonho L., Sun K.H., et al. Epitaxial growth of thin ferroelectric polymer films on graphene layer for fully transparent and flexible nonvolatile memory // Nano. Lett. 2016. V. 16. № 1. P. 334–340. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b03882
3. Chen X., Han X., Qun-Dong S. PVDF-based ferroelectric polymers in modern flexible electronics // Adv. Electron. Mater. 2017. V. 5. № 5. P. 1600460. https://doi.org/10.1002/aelm.201600460
4. Mohammadpourfazeli S., Arash S., Ansari A., et al. Future prospects and recent developments of polyvinylidene fluoride (PVDF) piezoelectric polymer; fabrication methods, structure, and electro-mechanical properties // RSC Adv. 2023. V. 13. № 1. P. 370–387. https://doi.org/10.1039/d2ra06774a
5. Han X., Chen X., Tang X., et al. Flexible polymer transducers for dynamic recognizing physiological signals // Adv. Funct. Mater. 2016. V. 26. № 21. P. 3640–3648. https://doi.org/10.1002/adfm.201600008
6. Wang X., Yang B., Liu J., et al. A flexible triboelectric-piezoelectric hybrid nanogenerator based on P (VDF-TrFE) nanofibers and PDMS/MWCNT for wearable devices // Sci. Rep. 2016. V. 6. № 1. P. 36409. https://doi.org/10.1038/srep36409
7. Lu L., Ding W., Liu J., et al. Flexible PVDF based piezoelectric nanogenerators // Nano Energy. 2020. V. 78. P. 105251. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105251
8. Tripathi A.K., Van Breemen A.J., Shen J., et al. Multilevel information storage in ferroelectric polymer memories // Adv. Mater. 2011. V. 23. № 36. P. 4146–4151. https://doi.org/10.1002/adma.201101511
9. Shin K.Y., Lee J.S., Jang J. Highly sensitive, wearable and wireless pressure sensor using free-standing ZnO nanoneedle / PVDF hybrid thin film for heart rate monitoring // Nano Energy. 2016. V. 22. P. 95–104. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.02.012
10. Makeev M.O., Osipkov A.S., Batshev V.I., et al. Investigation of the phase delay of radiation by a transparent ferroelectric polymer film // J. Phys. Conf. Ser. V. 2127. № 1. P. 012048. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2127/1/012048
11. Minami T., Sonohara H., Kakumu T., et al. Physics of very thin ITO conducting films with high transparency prepared by DC magnetron sputtering // Thin Solid Films. 1995. V. 270. № 1–2. P. 37–42. https://doi.org/10.1016/0040-6090(95)06889-9
12. Sugimoto T., Ono K., Ando A., et al. PVDF-driven flexible and transparent loudspeaker // Appl. Acoust. 2009. V. 70. № 8. P. 1021–1028. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2009.03.007
13. Xin Y., Li X., Tian H., et al. A fingerprint sensor based on PVDF film for a manipulator // Integr. Ferroelectr. 2017. V. 183. № 1. P. 91–99. https://doi.org/10.1080/10584587.2017.1375819
14. Osipkov A., Makeev M., Konopleva Е., et al. Optically transparent and highly conductive electrodes for acousto-optical devices // Materials. 2021. V. 14. № 23. P. 7178. https://doi.org/10.3390/ma14237178
15. Meng N., Ren X., Zhu X., et al. Multiscale understanding of electric polarization in poly (vinylidene fluoride)-based ferroelectric polymers // J. Mater. Chem. C. V. 8 № 46. P. 16436–16442. https://doi.org/10.1039/d0tc04310a
16. Yuan X., Gao X., Yang J., et al. The large piezoelectricity and high power density of a 3D-printed multilayer copolymer in a rugby ball-structured mechanical energy harvester // Energy Environ. 2020. V. 13. № 1. P. 152–161. https://doi.org/10.1039/c9ee01785b
17. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / Под ред. Шарапова В.М. М.: Техносфера, 2006. 632 с.
Sharapov V.M., Musienko M.P., Sharapova E.V. Piezoelectric sensors [in Russian] / Ed. Sharapov V.M. Moscow: "Technosphera" Publ., 2006. 632 p.
18. Avanci L.H., Cardoso L.P., Girdwood S.E., et al. Piezoelectric coefficients of mNA organic nonlinear optical material using synchrotron X-ray multiple diffraction // Phys. Rev. Lett. 1998. V. 81. № 24. P. 5426. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.81.5426
19. Котлярский Л.Б., Школьник И.Э. Определение пьезо-модуля методом падающего шарика // Акустический журнал. 1963. Т. 9. № 2. С. 238–239.
Kotlyarskii L.B., Shkol'nik I.E. Determination of piezomodulus by a falling ball method [in Russian] // Akusticheskij Zhurnal. 1963. V. 9. № 2. P. 238–239.
20. Браун Э.Д., Буяновский И.А., Воронин Н.А. и др. Современная трибология: итоги и перспективы / Под ред. Фроловa К.В. М: ЛКИ, 2008. 480 с.
Braun E.D., Buyanovsky I.A., Voronin N.A., et al. Modern tribology: Results and prospects [in Russian] / Ed. Frolov K.V. Moscow: LKI Publ., 2008. 480 p.
21. Stewart M. Characterisation of ferroelectric bulk materials and thin films. Dordrecht: Springer Netherlands, 2014. 290 p.
22. Solodilov V., Kochervinskii V., Osipkov A., et al. Structure and thermomechanical properties of polyvinylidene fluoride film with transparent indium tin oxide electrodes // J. Polym. 2023. V. 15. № 6. P. 1483. https://doi.org/10.3390/polym15061483
23. Дмитриев И.Ю., Гладченко С.В., Афанасьева Н.В. и др. Молекулярная подвижность поливинилиденфторида в анизотропном состоянии // Высокомолекулярные соединения. 2008. Т. 50А. № 3. С. 424–433.
Dmitriev I.Y., Gladchenko S.V., Afanasyeva N.V., et al. Molecular mobility of polyvinylidene fluoride in an anisotropic state // Polym. Sci. Ser. A. 2008. V. 50A. № 3. P. 265–272. https://doi.org/10.1134/S0965545X08030048
24. Hattori T., Kanaoka M., Ohigashi H. Improved piezoelectricity in thick lamellar b-form crystals of poly (vinylidene fluoride) crystallized under high pressure // J. Appl. Phys. 1996. V. 79. № 4. P. 2016–2022. https://doi.org/10.1063/1.361055
25. Kochervinskii V.V., Buryanskaya E.L., Makeev M.O., et al. Effect of composition and surface microstructure in self-polarized ferroelectric polymer films on the magnitude of the surface potential // J. Nanomater. 2023. V. 13. № 21. P. 2851. https://doi.org/10.3390/nano13212851
26. Wen J.X. Piezoelectricity and pyroelectricity in a copolymer of vinylidene fluoride and tetrafluoroethylene // J. Polym. 1985. V. 17. № 2. P. 399–407. https://doi.org/10.1295/polymj.17.399
27. Kochervinskii V.V., Buryanskaya E.L., Osipkov A.S., et al. The domain and structural characteristics of ferroelectric copolymers based on vinylidene fluoride copolymer with tetrafluoroethylene composition (94/6) // J. Polym. 2024. V. 16. № 2. P. 233. https://doi.org/10.3390/polym16020233