[論文レビュー] Study on dielectric behavior of Lithium Tantalate(LT) nano particle filled poly (vinylidene fluoride) (PVDF) nano composite

S. Satapathy, P. K. Gupta+3 more|ArXiv.org|Aug 4, 2008

Dielectric materials and actuators参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、検出器用途向けに誘電およびルミネッセンス特性を向上させるために、リチウム tantalate (LT) ナノ粒子をポリビニリデン フルオライド (PVDF) に充填剤として用いることを検討した。LT体積分率 (fLT = 0.047–0.17) を増加させることで、複合材料は誘電整合度が上昇し（fLT = 0.17 時に純粋な PVDF より最大 1.7 倍）、損失正 tangent（1 kHz 時に 0.04 から 0.175 に上昇）も中程度に上昇した。この挙動は、パーベンシオンおよび空間電荷分極モデルによって説明できる。

ABSTRACT

For pyroelectric detector application materials should have low dielectric constant, high pyroelectric coefficient, large non volatile polarization at small applied electric field and low specific heat. Large field (greater than 1200kV/cm) is need to pole ferroelectric polymer poly (vinylidene fluoride) (PVDF) and it has low sensitivity compared to other pyroelectric materials. To increase non volatile polarization at low poling field and to increase pyroelectric coefficient, LiTaO3 (LT) nano particles were added to PVDF matrix to make LT/PVDF composite. It is important to study the dielectric properties of the composite (to be used in detector application) because dielectric constant varies with volume fraction of filler and with frequency. Nano composite films of LT/PVDF with different volume fraction (i. e fLT = 0.047, 0.09 and 0.17) of LT were prepared by dispersing LT nano particles in solution of PVDF. The dielectric properties of LT/PVDF composite were studied by varying the volume fraction of LT. The dielectric permittivity of LT/ PVDF composites increased compared to PVDF as the volume fraction of LT increases but the loss tangent is almost constant at higher frequency. In low frequency region, for fLT = 0.17 the dielectric permittivity of composite is greater than PVDF and LT. The dielectric loss tangent is also increased from 0.04 to 0.175 as fLT increases from 0 to 0.17 at 1 kHz. The dielectric permittivity behavior of composite has been explained using percolation model and space charge polarization model.

研究の動機と目的

• LT ナノ粒子を導入することで、PVDF を基体とするルミネッセンス検出器の非可逆分極およびルミネッセンス係数を向上させること。
• 純粋な PVDF では高いたんぱく質場（1200 kV/cm 以上）を要するが、複合材料形成によって低場でも効果的な分極を可能にする。
• LT 体積分率が誘電特性に与える影響を調査し、検出器性能の最適化を図ること。
• パーベンシオンおよび空間電荷分極モデルを用いて、LT/PVDF 複合材料の誘電応答メカニズムを理解すること。

提案手法

• LT ナノ粒子を PVDF 溶液に varying な体積分率 (fLT = 0.047, 0.09, 0.17) で分散させ、ナノ複合膜を調製した。
• 周波数依存測定を用いて、広い周波数範囲で誘電特性を特徴付けた。
• fLT を増加させた際の誘電整合度および損失正 tangent の傾向を分析し、複合材料の挙動を評価した。
• 観察された誘電応答を説明するために、パーベンシオンモデルおよび空間電荷分極モデルを適用した。
• 標準的な溶液キャストおよび溶媒蒸発法を用いて、均一な薄膜を調製した。
• 周波数依存性を評価するために、1 kHz および周波数範囲で誘電定数および損失正 tangent を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LT ナノ粒子の体積分率を増加させることで、PVDF 複合材料の誘電整合度にどのような影響を与えるか？
• RQ2 異なる周波数において、LT 填充材含有量が誘電損失正 tangent に与える影響は何か？
• RQ3 パーベンシオンおよび空間電荷分極モデルは、LT/PVDF 複合材料の誘電挙動をどのように説明できるか？
• RQ4 LT/PVDF 複合材料は、純粋な PVDF よりも低いたんぱく質場で、より高い非可逆分極を達成できるか？
• RQ5 誘電応答を最大限に高めつつ損失を低く保つために、最適な LT 体積分率は何か？

主な発見

• LT/PVDF 複合材料の誘電整合度は、LT 体積分率が上昇するにつれて上昇し、fLT = 0.17 時に純粋な PVDF より最大 1.7 倍に達した。
• 1 kHz 時に、損失正 tangent は純粋な PVDF の 0.04 から fLT が 0.17 に上昇した際の 0.175 に上昇した。
• 低周波数領域では、fLT = 0.17 の複合材料が、純粋な PVDF もしくは純粋な LT よりも高い誘電整合度を示した。
• 高周波数領域では損失正 tangent がほぼ一定を保ち、周波数依存性の緩和損失が最小限であることが示された。
• 誘電応答は、パーベンシオンモデルおよび空間電荷分極モデルによってよく説明された。
• 中程度の充填量で誘電応答が向上するため、本複合材料系はルミネッセンス検出器用途に有望である。