Dielectric Spectroscopy of Ferroelectric Crossbred PVDF-ZnO Polymer Composite Thin Films

Abstract

Полівініліденфторид (PVDF), який є напівкристалічним сегнетоелектричним полімером з рядом цікавих властивостей, має потенціал для використання в різних технологічних додатках. Гнучкі тонкі плівки PVDF та його композитів поліпшили свої електронні властивості в основному за рахунок діелектричного відгуку. У роботі ми повідомляємо про синтез, характеристики та діелектричні властивості композиту PVDF-ZnO у формі тонкої плівки. Полімерні композити PVDF-ZnO з різними концентраціями ZnO як наповнювача в матриці PVDF синтезували методом змішування розчину з використанням діметілформадіду (DMF) як розчинника. Фазові перетворення та морфологія поверхні отриманих сегнетоелектричних полімерних композитів характеризувались рентгенівською дифракцією (XRD) та скануючою електронною мікроскопією (SEM) відповідно. Дифрактограми підтверджують формування тетрагональної перовскітної структури сегнетоелектричної β-фази PVDF та зсуви ліній β-фази у бік менших значень 2θ, на що впливає рівномірне змішування частинок ZnO. Крім того, встановлено підвищення кристалічності композитів із вмістом ZnO в матриці PVDF. Мікрофотографії SEM демонструють збільшення структурної густини зі складом ZnO в матриці PVDF. Спектр FTIR композитів показує піки поглинання, характерні для α і β фаз, та збільшення їх інтенсивності за рахунок ZnO, що вказує на фазу вюрциту. Діелектрична проникність PVDF-ZnO є аномалією при низьких частотах і зменшується зі збільшенням частоти, підтверджуючи тип міжфазної поляризації Максвелла-Вагнера, і було встановлено, що вона узгоджується з феноменологічною теорією Купа.

Polyvinylidene fluoride (PVDF), a semi-crystalline ferroelectric polymer with a range of interesting properties, shows potential to be used in a variety of technological applications. Flexible thin films of PVDF and its composites have made the progress in electronic properties mainly due to the dielectric response. In this paper, we report the synthesis, characterization, and dielectric properties of PVDF-ZnO composite in thin film form. PVDF-ZnO polymer composites with various concentrations of ZnO as filler in PVDF matrix were synthesized by solution mixing method using Dimethylformadide (DMF) as a solvent. The phase transformation and surface morphology of the prepared ferroelectric polymer composites were characterized by X-ray diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM), respectively. The XRD patterns confirm the formation of the tetragonal perovskite structure of ferroelectric β-phase of PVDF and β-phase shifts towards a lower value of 2θ that is influenced by uniform mixing of ZnO particles. Further, the crystallinity of the composites with ZnO composition in the PVDF matrix was found to be enhanced. The SEM micrograph depicts an increase in the structural density with ZnO composition in the PVDF matrix. The FTIR spectrum of the composites shows absorption peaks characteristic of α and β phases and an increase in their intensity due to ZnO, indicating the wurtzite phase. The dielectric constant of PVDF-ZnO is an anomaly at low frequencies and decreases with increasing frequency, validating the Maxwell-Wagner type of interfacial polarization, and was found to be in agreement with Koop’s phenomenological theory.