Distribution of the Ferroelectric Polarization in Polyvinylidene Fluoride During Initial Poling and Polarization Reversal

Abstract

The polarization profiles dynamics in polyvinylidene fluoride (PVDF) films was studied in situ by the piezoelectrically induced pressure step method. It was shown that a substantially inhomogeneous polarization profile was formed during poling and reversal switching in medium fields with the maximum of polarization near the positive electrode. However, poling of virgin samples in strong fields resulted in formation of a homogeneous polarization profile that remained uniform and easily switchable at any subsequently applied field. It appeared that it was impossible to improve the polarization homogeneity in PVDF by application of strong fields, if original poling was performed in weak or medium fields. The observed features were explained by a model assuming injection of negative charges and formation of a permanent blocking layer at the boundary between polarized and non-polarized zones. The obtained results should be considered while selecting poling conditions in design and production of sensors and actuators based on PVDF. The results have a practical importance in design of piezo- and pyro- sensors and activators using the ferroelectric PVDF films, because they should be considered while selecting poling conditions.

Динаміка профілів поляризації в плівках полівініліденфториду (PVDF) вивчалася in situ методом покрокової зміни тиску. Показано, що при електризації і зворотному перемиканні в середніх полях формується істотно неоднорідний профіль поляризації з максимумом поляризації поблизу позитивного електрода. Однак первинна електризація зразків в сильних полях приводила до формування однорідного профілю поляризації, який залишався однорідним і легко перемикався при будь-якому згодом прикладеному полі. Виявилося, що неможливо поліпшити однорідність поляризації в PVDF шляхом застосування сильних полів, якщо оригінальна електризація проводилася в слабких або середніх полях. Спостережувані особливості були пояснені моделлю, яка передбачає інжекцію негативних зарядів і формування постійного блокуючого шару на кордоні між поляризованими і неполяризованими зонами. Отримані результати слід враховувати при виборі умов електризації при проектуванні і виробництві датчиків і виконавчих елементів на основі PVDF. Результати мають практичне значення в розробці п'єзо- і піросенсорів та активаторів з використанням сегнетоелектричних PVDF плівок, оскільки їх слід враховувати при виборі умов полірування.