Arrangering af polymer nanorør i et vertikalt array forbedrer piezoelektriske egenskaber for akustiske sensorer

En række hule piezoelektriske polymer nanorør dyrket af A*STAR forskere kunne bruges som en ekstremt følsom akustisk sensor.

Rørene er lavet af en piezoelektrisk polymer kaldet poly(vinylidenfluorid-co-trifluorethylen), eller P(VDF-TrFE) - hvortil påføring af en spænding forårsager en formændring; omvendt, polymeren genererer en spænding, når den presses eller vrides. Piezoelektriske polymerer er betydeligt mere fleksible end andre piezoelektriske materialer, og er meget lydhør over for pres.

At danne piezoelektriske materialer til nanorør kan forbedre deres egenskaber, men fleksible polymer nanorør har en tendens til at samle sig i bundter.

Kui Yao og kolleger ved A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, og National University of Singapore, har nu udviklet en metode til at skabe vertikale arrays af hule P(VDF-TrFE) nanorør, øge deres piezoelektriske kapacitet markant. "For første gang, vi har demonstreret forbedret piezoelektrisk ydeevne i et højkvalitets P(VDF-TrFE) nanorør-array, " siger Yao.

Holdet lavede først en skabelon - et tyndt ark anodiseret aluminiumoxid med lodrette porer op til 4 mikrometer dybe og 350 nanometer bred - og tilføjede en belægning af P(VDF-TrFE). Opvarmning til 250 grader Celsius smeltede polymeren ind i porerne, belægning af sine vægge. De gentog cyklussen 15 gange for at skabe en polymerbelægning på 60 nanometer tyk.

De dækkede den polymerfyldte skabelon med en tynd guldelektrode, vendte derefter strukturen om og monterede den på et glasunderlag. De brugte en syre til at ætse en del af aluminiumoxidet væk, eksponerer spidserne af de hule polymer nanorør indeni (se billedet), og lukkede dem med en anden guldelektrode.

Røntgendiffraktion og infrarød spektrometri afslørede, at den elektriske polarisering af polymeren var på linje med nanorørets akse, hvilket øgede den samlede polarisering i den retning med 1,5 gange. "Den dominerende mekanisme for forbedret piezoelektrisk ydeevne er baseret på denne unikke molekylære orientering og nanorørets struktur, " siger Yao.

Forskerne fandt ud af, at en vekselspænding ændrede nanorørets belastning næsten dobbelt så meget som en standard P(VDF-TrFE) film. De antog også, at påføring af en lille spænding på strukturen kunne producere en spænding mange gange større end konventionelle piezoelektriske materialer, og mere end tre gange så meget som en standard piezoelektrisk polymerfilm. "Dette er vigtige indikatorer for et piezoelektrisk materiales ydeevne til elektromekaniske applikationer såsom energihøstere, sensorer og transducere, " siger Yao. "Vi arbejder nu hen imod demonstration af akustiske sensorer ved hjælp af P(VDF-TrFE) nanorør-arrayet, med forbedret følsomhed sammenlignet med konventionelle piezoelektriske film."