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溶剂处理获透明铁电尼龙薄膜 解决困扰40年之久的难题!
浏览次数:次    时间:2019-08-27

随着微电子产业向可穿戴电子和电子纺织品转变,研究人员正在将铁电材料等电子材料与纺织品结合起来。近30年前,人们惊讶地发现奇数尼龙具有铁电性质。铁电性质是指在一些电介质晶体中,晶胞的结构使正负电荷中心不重合而出现电偶极矩,且电偶极矩方向可因外电场而改变。简单来说,材料中的正电荷和负电荷可以分离,并保持这种状态。尽管尼龙聚合物多年来在织物和纤维中有重要的商业应用,但酰胺键之间存在很强的氢键相互作用,导致尼龙溶解性很差,因此不能通过溶液处理制备出高质量的铁电尼龙薄膜,阻碍了它们在电子设备中的应用。

透明铁电尼龙有望在未来成为透明电子电路的重要组成部分

 要实现铁电尼龙薄膜的溶解处理,需要解决两个难题:I型和II型溶剂吸湿性过强的问题;以及在溶液处理过程中强制将奇数尼龙薄膜结晶为铁电δ′相(尼龙-11有了五种晶体相:α、α′、γ、δ和δ′,只有δ′相的奇数尼龙才具有铁电性)。

 发现聚合物铁电性的半个世纪以来,由于尼龙链存在强烈的氢键作用,尚未表明溶剂处理法可以制备铁电尼龙。近日,德国马克斯·普朗克聚合物研究所的Kamal Asadi教授团队解决了这一难题,生产出可用于电子存储元件的超薄尼龙薄膜。他们为尼龙定制了溶剂系统(三氟乙酸-丙酮;TFA-acetone),该混合溶剂具有低蒸气压、强酸性和易于形成氢键的特性;在室温下通过与酰胺键形成的氢键能溶解所有脂肪族尼龙。尼龙聚合物链间会通过氢键键合,因此作者引入溶解淬火法(Solution quenching,SQ)将奇数尼龙冻结在还没有形成完全有序的氢键键合状态。得到的高质量SQ奇数尼龙薄膜为δ′相结晶,表现出铁电行为并且极其光滑、光学透明。而且这种方法制备的尼龙薄膜只有100 nm厚,比人类头发丝还要细100倍。作者将尼龙-11铁电电容器的性能与传统的铁电聚合物如聚偏二氟乙烯(PVDF)及其与三氟乙烯的无规共聚物(P (VDF-TrFE))进行了比较,结果发现SQ尼龙-11薄膜组成的电容器在超过百万次写入 - 擦除循环中表现出无疲劳行为。

Kamal Asadi教授说道,“通过这种方法,我们得到了非常光滑的薄膜。这是非常重要的,因为它可以防止由电容器等设备的电气故障导致的电子电路的破坏。同时,光滑的薄膜有利于开发透明薄膜,成为柔性电子器件的重要组成部分,并在可弯曲电子器件或服装电子器件中得到应用。而且这种结合简单合成和可控化学结构的溶液处理铁电尼龙薄膜的方法为更多潜在的氢键键合铁电聚合物的研究打开了大门。

来源:高分子科学前沿


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