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The negative piezoelectric effect of the ferroelectric polymer poly(vinylidene fluoride)

材料科学 电致伸缩 铁电性 无定形固体 压电 机电耦合系数 压电系数 电场 氟化物 电介质 聚合物 复合材料 微观结构 凝聚态物理 结晶学 化学 光电子学 物理 量子力学 无机化学
作者
Ilias Katsouras,Kamal Asadi,Mengyuan Li,Tim B. van Driel,Kasper S. Kjær,Dong Zhao,Thomas Lenz,Yun Gu,Paul W. M. Blom,Dragan Damjanović,M. Nielsen,Dago M. de Leeuw
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 78-84 被引量:421
标识
DOI:10.1038/nmat4423
摘要

Piezoelectricity describes interconversion between electrical charge and mechanical strain. As expected for lattice ions displaced in an electric field, the proportionality constant is positive for all piezoelectric materials. The exceptions are poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and its copolymers with trifluoroethylene (P(VDF-TrFE)), which exhibit a negative longitudinal piezoelectric coefficient. Reported explanations exclusively consider contraction with applied electric field of either the crystalline or the amorphous part of these semi-crystalline polymers. To distinguish between these conflicting interpretations, we have performed in situ dynamic X-ray diffraction measurements on P(VDF-TrFE) capacitors. We find that the piezoelectric effect is dominated by the change in lattice constant but, surprisingly, it cannot be accounted for by the polarization-biased electrostrictive contribution of the crystalline part alone. Our quantitative analysis shows that an additional contribution is operative, which we argue is due to an electromechanical coupling between the intermixed crystalline lamellae and amorphous regions. Our findings tie the counterintuitive negative piezoelectric response of PVDF and its copolymers to the dynamics of their composite microstructure. Poly(vinylidene fluoride) exhibits a negative longitudinal piezoelectric coefficient. In situ X-ray diffraction measurements suggest that this effect is dependent on electromechanical coupling between the intermixed crystalline lamellae and amorphous regions.
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