偏氟乙烯聚合物晶體結構調控

《偏氟乙烯聚合物晶體結構調控》是依託南京大學，由沈群東擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：偏氟乙烯聚合物晶體結構調控
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：沈群東
• 依託單位：南京大學

項目摘要

鐵電高分子電性能多樣化且卓越，能夠滿足現今對能源儲存和利用的需求，套用領域正不斷擴大。本項目擬圍繞偏氟乙烯微結構與能量存儲與轉換特徵的內在關聯性這個基礎與前沿科學問題。其中極性晶疇是控制鐵電高分子電性能的關鍵結構因子，申請人的思路是將高分子的結晶過程細分為成核和生長過程；通過添加成核劑、化學交聯、接枝等方法控制偏氟乙烯共聚物中成核密度或結晶鏈段的長度和含量，獲得不同尺寸與組成的極性晶疇。本項目將研究鐵電高分子與非極性高分子形成的二元複合物，利用兩相界面效應調控極性組份的結晶過程和電荷分布。本項目採用納米加工技術，獲得具有納米尺寸的圖案、能用於薄膜高密度數據存儲器或場效應電晶體的鐵電高分子薄膜，研究鐵電高分子晶體在精確設計的納米空間的受限生長情況。本項目意在體現鐵電高分子研究從套用和材料物理等向高分子學科基礎研究的回歸。

結題摘要

偏氟乙烯聚合物是性能優異的智慧型柔性晶態材料，在信息存儲、多能量感測及高能密度電容器等領域套用前景廣闊。本項目圍繞偏氟乙烯聚合物的微結構與能量存儲/轉換特徵的內在關聯性這個基礎科學問題，在極性晶疇的調控、偏氟乙烯聚合物和非極性高分子相界面調控、晶體空間受限效應、納米尺度電性能等方面開展系統研究。芳香族聚硫脲、化學交聯、物理共混等可以調控偏氟乙烯聚合物結晶的成核密度、生長速度、晶相結構及其儲能性能；獲得的含缺陷、納米尺寸的偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物的極性晶體能密度高達22.5J/cm3，充放電效率達90%，放電速度在數微秒。接枝非極性高分子能夠抑制偏氟乙烯共聚物的結晶過程。非極性高分子納米顆粒表面修飾的極性基團誘導偏氟乙烯共聚物的晶型轉變，提升充放電效率；我們採用高空間/時間解析度的掃描探針顯微技術，發現該複合物的能量釋放包括多個途徑，清晰地觀測到納米顆粒與高分子基體之間的界面，並追蹤了兩相界面在放電過程中的演變。我們運用超快速差示掃描量熱FDSC和壓電力顯微鏡技術研究了偏氟乙烯聚合物超薄膜的結晶性能和極化狀態，發現在FDSC晶片襯底上偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物超薄膜晶體的成核與生長能夠在極短的時間內完成，而居里（極性-非極性晶體）轉變溫度隨著超薄膜厚度同步下降，同時第三單體組分的存在破壞了偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物極性晶疇內偶極間的相關性，降低了極性翻轉的勢壘。偏氟乙烯聚合物二維平面納米陣列晶體結構分析揭示，納米熱壓印過程導致整個分子鏈流動取向，並在高缺陷含量的偏氟乙烯三元共聚物中誘導出穩定的極性晶相；由於極化翻轉限制單個陣點中，納米陣列能夠實現75Gb/inch2的高密度信息存儲。利用機械力在偏氟乙烯聚合物薄膜中導致的應變梯度可以產生撓曲電場，驅動電極化翻轉，獲得高信息存儲密度（理論上限Tb/inch2）。我們構建了偏氟乙烯共聚物-半導體薄膜界面，利用共聚物晶體不同的極化狀態調控半導體層的導電率，設計了高靈敏的力、光感測器。