Массив полых пьезоэлектрических полимерных нанотрубок, выращенный исследователями ASTAR, может быть использован в качестве чрезвычайно чувствительного акустического датчика.
Трубки изготовлены из пьезоэлектрического полимера, называемого поли(винилиденфторид-со-трифторэтилен) или P(VDF-TrFE), к которому приложение напряжения вызывает изменение формы; и наоборот, полимер генерирует напряжение, когда его сжимают или скручивают. Пьезоэлектрические полимеры значительно более гибкие, чем другие пьезоэлектрические материалы, и очень чувствительны к давлению.
Преобразование пьезоэлектрических материалов в нанотрубки может улучшить их свойства, но гибкие полимерные нанотрубки склонны собираться в пучки.
Куй Яо и его коллеги из Института исследования и разработки материалов ASTAR и Национального университета Сингапура разработали метод создания вертикальных массивов полых нанотрубок P(VDF-TrFE), значительно увеличивающий их пьезоэлектрические возможности [1]. «Впервые мы продемонстрировали улучшенные пьезоэлектрические характеристики массива высококачественных нанотрубок P(VDF-TrFE)», - говорит Яо.
Команда сначала изготовила шаблон - тонкий лист анодированного оксида алюминия с вертикальными порами глубиной до 4 микрометров и шириной 350 нанометров - и добавила покрытие P(VDF-TrFE). Нагрев до 250 градусов Цельсия расплавил полимер в порах, покрывая их стенки. Они повторили цикл 15 раз, чтобы создать полимерное покрытие толщиной 60 нанометров.
Они покрыли загруженный полимером шаблон тонким золотым электродом, затем перевернули структуру и установили ее на стеклянную подложку. Они использовали кислоту, чтобы вытравить часть оксида алюминия, обнажив кончики полых полимерных нанотрубок внутри (см. изображение), и закрыли их другим золотым электродом.
Рентгеновская дифракция и инфракрасная спектрометрия показали, что электрическая поляризация полимера совмещена с осью нанотрубки, что увеличило общую поляризацию в этом направлении в 1,5 раза. «Основной механизм улучшения пьезоэлектрических характеристик основан на этой уникальной молекулярной ориентации и структуре нанотрубок», - говорит Яо.
Исследователи обнаружили, что переменное напряжение изменяет деформацию нанотрубок почти в два раза больше, чем стандартная пленка P(VDF-TrFE). Они также предположили, что приложение небольшого напряжения к структуре может создать напряжение во много раз большее, чем у обычных пьезоэлектрических материалов, и более чем в три раза больше, чем у стандартной пьезоэлектрической полимерной пленки.«Это важные показатели производительности пьезоэлектрического материала для электромеханических приложений, таких как сборщики энергии, датчики и преобразователи», - говорит Яо. «Сейчас мы работаем над демонстрацией акустических датчиков с использованием массива нанотрубок P(VDF-TrFE) с повышенной чувствительностью по сравнению с обычными пьезоэлектрическими пленками».
Исследователи, аффилированные с ASTAR, внесли свой вклад в это исследование из Института исследования и разработки материалов.