Published July 13, 2023
| Version v1
Publication
Open
Induced polarization imparts piezoelectricity in non-crystalline polymer films
Creators
- 1. University of Hong Kong
- 2. Hong Kong University of Science and Technology
- 3. Tsinghua University
- 4. University of Science and Technology
- 5. University of Wollongong
- 6. École Polytechnique Fédérale de Lausanne
Description
Abstract Piezoelectric materials produce linear deformation in response to an applied electric field and are essential for precision control devices. The conventional view is that polymers must be crystalline and possess a remanent polarization after an artificial poling in order to gain piezoelectricity. For ferroelectric polymer poly(vinylidene difluoride), the required poling field is exceptionally high, up to 150–200 volts per micron. Here, we circumvent this limitation by utilizing the elastic displacement of the electric dipoles and creating a net polarization. In this case, the dielectric acts as a piezoelectric as long as a bias electric field is applied, with its piezoelectric coefficient increasing proportionally to the strength of the electric field until polarization saturation sets in. Experiments indicate that a sub-coercive field of 68 volts per micron can induce a high piezoelectric coefficient d 33 of − 36 picometers per volt in an unpoled poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) film. The proposed methodology is further extended to amorphous polymers, providing an opportunity to discover new piezoelectrics within the dielectric family.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تنتج المواد الكهربائية الإجهادية المجردة تشوهًا خطيًا استجابةً للمجال الكهربائي المطبق وهي ضرورية لأجهزة التحكم الدقيق. وجهة النظر التقليدية هي أن البوليمرات يجب أن تكون بلورية وتمتلك استقطابًا باقياً بعد قطب اصطناعي من أجل الحصول على الكهرباء الإجهادية. بالنسبة لبولي بوليمر الفيروكهربي (ثنائي فلوريد الفينيلدين)، يكون مجال القطب المطلوب مرتفعًا بشكل استثنائي، حتى 150–200 فولت لكل ميكرون. هنا، نتحايل على هذا القيد من خلال الاستفادة من الإزاحة المرنة للثنائي القطب الكهربائي وإنشاء استقطاب صافٍ. في هذه الحالة، يعمل العازل الكهربائي ككهربائي إجهادي طالما يتم تطبيق مجال كهربائي متحيز، مع زيادة معامله الكهربائي الإجهادي بما يتناسب مع قوة المجال الكهربائي حتى يتم ضبط تشبع الاستقطاب. تشير التجارب إلى أن المجال شبه القسري البالغ 68 فولت لكل ميكرون يمكن أن يحفز معامل كهربائي إجهادي مرتفع يبلغ 33 - 36 بيكومتر لكل فولت في فيلم بولي(فلوريد الفينيليدين - ثلاثي الفلورو إيثيلين) غير مقوى. يتم توسيع المنهجية المقترحة لتشمل البوليمرات غير المتبلورة، مما يوفر فرصة لاكتشاف كهرضغطية جديدة داخل عائلة العزل الكهربائي.Translated Description (French)
Résumé Les matériaux piézoélectriques produisent une déformation linéaire en réponse à un champ électrique appliqué et sont essentiels pour les dispositifs de contrôle de précision. Le point de vue conventionnel est que les polymères doivent être cristallins et posséder une polarisation rémanente après un poling artificiel afin d'obtenir une piézoélectricité. Pour le polymère ferroélectrique poly(difluorure de vinylidène), le champ de polarisation requis est exceptionnellement élevé, jusqu'à 150–200 volts par micron. Ici, nous contournons cette limitation en utilisant le déplacement élastique des dipôles électriques et en créant une polarisation nette. Dans ce cas, le diélectrique agit comme un piézoélectrique tant qu'un champ électrique de polarisation est appliqué, son coefficient piézoélectrique augmentant proportionnellement à l'intensité du champ électrique jusqu'à ce que la saturation de polarisation s'installe. Les expériences indiquent qu'un champ sous-coercitif de 68 volts par micron peut induire un coefficient piézoélectrique élevé d 33 de − 36 picomètres par volt dans un film de poly(fluorure de vinylidène-trifluoroéthylène) non polarisé. La méthodologie proposée est ensuite étendue aux polymères amorphes, offrant la possibilité de découvrir de nouveaux piézoélectriques au sein de la famille diélectrique.Translated Description (Spanish)
Resumen Los materiales piezoeléctricos producen una deformación lineal en respuesta a un campo eléctrico aplicado y son esenciales para los dispositivos de control de precisión. La visión convencional es que los polímeros deben ser cristalinos y poseer una polarización remanente después de una polarización artificial para obtener piezoelectricidad. Para el polímero ferroeléctrico poli(difluoruro de vinilideno), el campo de polarización requerido es excepcionalmente alto, hasta 150–200 voltios por micrómetro. Aquí, eludimos esta limitación utilizando el desplazamiento elástico de los dipolos eléctricos y creando una polarización neta. En este caso, el dieléctrico actúa como un piezoeléctrico siempre que se aplique un campo eléctrico de polarización, y su coeficiente piezoeléctrico aumenta proporcionalmente a la intensidad del campo eléctrico hasta que se establece la saturación de polarización. Los experimentos indican que un campo subcoercitivo de 68 voltios por micrómetro puede inducir un alto coeficiente piezoeléctrico d 33 de -36 picómetros por voltio en una película de poli(fluoruro de vinilideno-trifluoroetileno) no polarizada. La metodología propuesta se extiende aún más a los polímeros amorfos, brindando la oportunidad de descubrir nuevos piezoeléctricos dentro de la familia dieléctrica.Files
latest.pdf.pdf
Files
(882.5 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:09124093430c999680fbe00dbe90f62c
|
882.5 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- الاستقطاب المستحث يضفي الكهرباء الإجهادية في أفلام البوليمر غير البلورية
- Translated title (French)
- La polarisation induite confère une piézoélectricité aux films polymères non cristallins
- Translated title (Spanish)
- La polarización inducida imparte piezoelectricidad en películas de polímeros no cristalinos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4384200453
- DOI
- 10.21203/rs.3.rs-3089366/v1
References
- https://openalex.org/W1663184582
- https://openalex.org/W1948585556
- https://openalex.org/W1976428695
- https://openalex.org/W1976954726
- https://openalex.org/W1985968580
- https://openalex.org/W2001685061
- https://openalex.org/W2020442097
- https://openalex.org/W2021426961
- https://openalex.org/W2030663413
- https://openalex.org/W2062066026
- https://openalex.org/W2071761278
- https://openalex.org/W2073573363
- https://openalex.org/W2074744958
- https://openalex.org/W2079054185
- https://openalex.org/W2101413863
- https://openalex.org/W2102479576
- https://openalex.org/W2132221329
- https://openalex.org/W2171687796
- https://openalex.org/W2315844006
- https://openalex.org/W2330250909
- https://openalex.org/W2618137169
- https://openalex.org/W2797790446
- https://openalex.org/W2804739027
- https://openalex.org/W2893158235
- https://openalex.org/W2895057555
- https://openalex.org/W2911901031
- https://openalex.org/W2936104152
- https://openalex.org/W2998933571
- https://openalex.org/W3067151702
- https://openalex.org/W3119572122
- https://openalex.org/W3210408447
- https://openalex.org/W4211206874
- https://openalex.org/W4221118722
- https://openalex.org/W4224780973
- https://openalex.org/W4233258053
- https://openalex.org/W4282945778
- https://openalex.org/W4283380232
- https://openalex.org/W4296552506
- https://openalex.org/W4311883465