Interrelation between Pyroelectricity and Residual Polarization in Thin Films of a Ferroelectric Polymer with Nanoscale Structure

Abstract

Полівініліденфторид (ПВДФ), який є типовим сегнетоелектричним полімером з нанорозмірною структурою, має перспективи широкого застосування для виготовлення піроелектричних датчиків і перетворювачів. У цій статті на основі декількох серій експериментів досліджено зв'язок між піроелектрикою в тонких плівках ПВДФ і залишковою сегнетоелектричною поляризацією. Піроелектричний коефіцієнт вимірювали динамічним методом Коллінза шляхом аналізу величини і форми напруги, що виникає після опромінення металевого електрода світловим імпульсом. Залишкову поляризацію вимірювали шляхом обробки графіків електричного зміщення, що виникає внаслідок впливу на зразок імпульсів високої поляризуючої і перемикаючої напруги. Досліджено широкі діапазони тривалості імпульсів від 0.5 мкс до 50 с, що охоплює 8 порядків величини, і прикладеного електричного поля з напруженістю від 40 до 200 МВ м – 1. Було встановлено, що піроелектричний сигнал прямо пропорційний величині залишкової поляризації і не залежить від наявності об'ємного заряду. Цей результат дозволяє отримати інформацію про стан поляризації в ПВДФ шляхом простого вимірювання його піроелектричного коефіцієнта. Проаналізовані і пояснені особливості піроелектричної поведінки плівок ПВДФ.

Polyvinylidene fluoride (PVDF), a typical ferroelectric polymer having a nanoscale structure, has prospects for widespread application in manufacturing pyroelectric sensors and transducers. In this paper, the relationship between pyroelectricity in PVDF thin films and the residual ferroelectric polarization is investigated on the basis of several experimental series. The pyroelectric coefficient is measured by the Collins dynamic method by analyzing the magnitude and shape of the voltage arising after irradiating a metal electrode with a light pulse. The residual polarization is measured by processing the plots of electrical signal resulting from application of high polarizing and switching voltage pulses to the sample. The wide ranges of pulse duration from 0.5 μs to 50 s, covering 8 orders of magnitude, and the applied electric field with a strength from 40 to 200 MV·m – 1 are investigated. It has been found that the pyroelectric signal is directly proportional to the residual polarization and does not depend on the presence of the space charge. This result allows to obtain information on the state of polarization in PVDF by simply measuring its pyroelectric coefficient. The features of the pyroelectric behavior of PVDF films are analyzed and explained.