CN105139991A

CN105139991A - 一种铁电性液体及其制备方法

Info

Publication number: CN105139991A
Application number: CN201510426568.4A
Authority: CN
Inventors: 高荣礼; 符春林; 蔡苇; 陈刚; 邓小玲
Original assignee: Chongqing University of Science and Technology
Current assignee: Chongqing University of Science and Technology
Priority date: 2015-07-20
Filing date: 2015-07-20
Publication date: 2015-12-09

Abstract

本发明公开了一种铁电性液体及其制备方法。该铁电性液体由铁电性的纳米颗粒均匀分散在基液与表面活性剂的混合液体中而形成的稳定的悬浮液。制备方法简单，把基液和表面活性剂均匀混合成混合液体，再把铁电性的纳米颗粒加入到混合体液中，摇动，最后放在摇床上摇动，即得到铁电性液体。该铁电性液体不但具备铁电性还具备流动性，铁电性的纳米颗粒在外加电场的作用下容易发生改变，从而实现调控铁电性液体的性能。本发明为铁电材料的研究提供了一个全新的研究方向。

Description

一种铁电性液体及其制备方法

技术领域

本发明属于铁电材料领域，具体涉及一种铁电性液体及其制备方法。

背景技术

某些晶体处于自发极化的状态，并且具有自发极化强度，在一定温度范围内，自发极化偶极矩能随外施电场的方向而改变。这些自发极化的区域称为电畴，每个电畴内的极化方向一致，而相邻电畴的极化方向则不同。从宏观上来看，整个晶体是非极化的，呈中性。在外电场作用下，极化沿电场方向的电畴扩大，极化方向趋于外场方向排列，其自发极化能够随外电场做可逆转动，这种性质称为铁电性，同铁磁材料一样，铁电材料也可以用于信息存储。由于铁电材料具有优良的铁电、介电、热释电性、电光特性、声光特性、非线性光学等特性，它们在铁电存储器、红外探测器、传感器、声表面波、集成光电器件、电容器等固态器件方面有着非常重要的应用，这也极大地推动了铁电材料及铁电物理学的研究和发展。基于铁电材料的铁电随机存储器由于其非易失性和读取速度快等特点而具有巨大的应用前景。铁电材料及其应用研究已成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。

然而，目前研究的铁电材料都是固态，包括铁电陶瓷、铁电薄膜、铁电单晶等。固态铁电性材料有较大的矫顽电场，需要较大的电场才能将铁电性材料的电极化方向转变，如施加的电场过大容易把固态铁电材料击穿损坏，造成铁电材料的浪费。液态的铁电材料还未见报道，在国际上也没有“铁电性液体”这个概念。这是因为，当铁电材料处于液化状态到时候，温度一般都高于其铁电居里温度，此时铁电材料已经失去铁电性了。因此，我们在国际上首次提出“铁电性液体”(或者叫铁电流体)这个概念，并给出了其制备方法。

发明内容

为了解决固态铁电材料矫顽电场较大，不容易调控固态铁电材料，本发明提供了一种铁电性液体以及制备方法。

本发明通过以下技术方案实现：

铁电性液体，包括具有铁电性的纳米颗粒、基液、表面活性剂，所述基液和所述表面活性剂均匀混合成混合液体，所述铁电性的纳米颗粒均匀分散在所述混合液体中形成稳定的悬浮液。

进一步，所述纳米颗粒的粒径≦20nm。

进一步，所述纳米颗粒是具有铁电性的纳米微粒或纳米线。

进一步，所述基液为水、有机液体或有机水溶液。

进一步，所述基液为硅油、十二烷基苯或聚丁烯油。

进一步，所述表面活性剂为油酸钠或氨基十二烷。

制备上述任一所述的铁电性液体的方法，包括以下步骤：

准备基液、表面活性剂以及干燥的纳米颗粒；

把基液和表面活性剂均匀混合成混合液体，再把纳米颗粒加入装有混合液体的容器中，摇动容器让纳米颗粒分散避免团聚、沉淀，密封容器并放置在摇床上摇动使铁电性的纳米颗粒均匀的分散在混合液体中，从而得到铁电性的纳米颗粒体积分数为V％的铁电性液体，

进一步，为了使铁电性的纳米颗粒均匀的分散在混合液体中形成稳定的铁电性液体，摇床摇动时间大于半个小时。

进一步，为了使铁电性液体比较稳定，所述V％小于20％。

进一步，为了使铁电性液体更加稳定，所述V％小于2％。

本发明的有益效果：

1、对固态铁电材料，因为其矫顽力比较大，当用电场来调控铁电晶粒极化方向的时候，需要的电场比较大。对于铁电性液体，由于铁电性的纳米颗粒悬浮在液体中，纳米颗粒受到布朗运动的影响，且液体对纳米颗粒运动的阻力相对固态铁电材料而言小很多。在外力作用下，纳米颗粒可以在液体中旋转，其电矩方向就可以相应发生转变，然而对于固态铁电材料而言，晶粒显然不能转动，阻力很大。

2、对于固态铁电材料而言，如果施加电场过大，固态铁电材料就容易被电场击穿而不能再使用，而且这种击穿是永久的，不能恢复的，造成固态铁电材料的浪费。对于铁电性液体，某一个点被击穿坏掉之后，只需要去掉外场，摇一摇，然后再施加外场，又能恢复使用。而且铁电性液体只需要很小的电场就能改变其极化方向，因此也不容易被击穿。

3、对于固态铁电材料，结构一旦成型，就不能改变。而对于铁电性液体，由于液体的流动性，其内部结构是可变的。对铁电性液体施加外场之后，可以很容易的改变纳米链的长短粗细。而且可以通过改变外场的大小、方向、梯度等参数，随意控制纳米链的结构。如，制作光伏电池，使用固态铁电材料，薄膜层的厚度就是恒定的，电极之间的距离、电极的面积都是恒定的；如果是纳米线，那么纳米线的长度粗细距离都是恒定不变的。如果使用铁电性液体，则可以通过改变外场大小方向等因素，来改变纳米链的长短粗细距离。

4、对于铁电性液体，还有电光效应、场致折射效应在固态铁电材料中没有的性能。

5、在电场作用下，固态铁电材料中电畴的取向只能沿着接近于电场方向的某些取向，并不一定沿着电场方向。而对于铁电性液体而言，由于铁电微粒可以在液体中自由转动，因此其电畴的取向可以完全沿着电场方向。

本发明首次提出铁电性液体概念，为铁电材料的研究开辟了一个全新的研究方向；由于铁电性液体同时具有铁电性和流动性，具有许多独特的铁电学、流体力学、光学和声学特性。相对于固态的铁电材料，用电场对铁电性液体调控就比较容易；由于其形状不定、易于调控，可以制作电-光开关。与机械光开关相比，具有以下优势：1、开关速度快：<0.2ms；2、可靠性高：>100亿次翻转，无移动部件。3、体积小巧。当铁电性液体置于一定强度的均匀电场，当一束偏振光穿过时，偏振光的电矢量平行于外电场方向与垂直于外电场方向吸收情况会存在差异，因而呈光学各向异性，将产生双折射效应等一系列电光效应。铁电性液体在交变场中具有电导率频散、铁电粘滞性等现象。有利于更好地对铁电材料进行应用。

附图说明

图1是BTO微粒的透射电镜图；

图2是BTO铁电性液体在不同电场下的透过率；

图3是BTO/Si薄膜不同电场下的透射率。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种铁电性液体，包括铁电性的纳米颗粒、基液、表面活性剂，所述基液和所述表面活性剂均匀混合成混合液体，所述纳米颗粒均匀分散在所述混合液体中形成稳定的悬浮液。纳米颗粒的粒径越小越好，粒径越小，由于库伦运动，纳米颗粒就不容易发生沉淀。反之，粒径越大，由于受到重力作用，就容易发生沉淀，不能形成悬浮液了。如果粒径大，就必须选择密度也很大的基液体，用浮力来抵消重力，这样对基液的选择就比较苛刻，可供选择的基液就比较少了。所述纳米颗粒的粒径≦20nm。所述纳米颗粒是具有铁电性的纳米微粒或纳米线。所述基液是水、有机液体或有机水溶液。为了能够对铁电性液体的铁电性进行表征，就需要对铁电性液体施加电场，使得液体中的铁电性纳米颗粒被极化。因此，基液就应该选择导电性很差的液体，比如接近于绝缘的油脂类，此外还应具有其他一些性能：击穿强度高，介质损耗角正切小，绝缘电阻率高，相对介电常数小；其次是具有优良的物理和化学性能。如汽化温度高，闪点高，尽量难燃或不燃；凝固点低，合适的粘度和粘度-温度特性；热导率大，比热容大；热稳定性好，耐氧化；在电场作用下吸气性小；它和与之接触的固体材料之间的相容性要好；毒性低、易生物降解。还要求来源广、价格低。优选供高温下使用的硅油、十二烷基苯或聚丁烯油。选择与基液的介电性相匹配的表面活性剂油酸、氨基十二烷、氟醚酸、月桂酸或苯基十一烷酸。所选的表面活性剂既能包覆所述纳米颗粒又能溶于所选的基液中。

BaTiO₃(BTO)铁电性液体的制备：

第1步：以固相反应法制备具有铁电性的BTO纳米颗粒：

将原料Ba₂O₃和Ti₂O₃，按照原子摩尔比Ba:Ti＝1:1的比例和原料的纯度计算各原料的所需质量，充分研磨使其均匀混合。然后将上述粉末放入清洗干净的坩埚内并置于马弗炉中，在900℃第一次预烧10h，初步成相。所得产物经充分研磨后在1100℃煅烧30h，使原料完全反应。再进行第三次充分研磨，得到BTO纳米颗粒。

第2步：制备BTO铁电性液体

将一定质量的BTO纳米颗粒均匀的分散在一定浓度的硅油中。硅油具有耐高低温、化学稳定性好、蒸气压低、黏度受温度影响小等特点，是铁电性液体的理想载液。但是，硅油憎水、憎油的特性使得将铁电性BTO微粒均匀分散于其中的表面活性剂必须具有亲油性能，且能包覆铁电性微粒，否则易出现团聚、沉降等现象。选用油酸作为表面活性剂。

配置体积分数为5％，体积为100ml的BTO铁电性液体，那么，所需BTO微粒体积为5ml，其密度约为6g/cm³，则需要BTO的质量为30g；油酸的浓度为2％，则需要量取2ml的油酸；硅油的体积为100-5-2＝93ml。

首先，称量30g的BTO纳米微粒(体积约5cm³)，加入到2ml油酸和93ml硅油的混合液体中，进行摇动，放进密封好的玻璃瓶或者其它容器内，在摇床上进行摇动约1个小时。即得到体积分数为5％、体积为100ml的BTO铁电性液体。

图1是BTO微粒的透射电镜图，图2是BTO铁电性液体在不同电场下的透过率，以最初的透射率为1。图2中，a施加的电场为5kV/m；b施加的电场为15kV/m。沿着竖直方向对BTO铁电性液体施加电场，并沿着电场方向测量不同电场下的光透射率，在a中，当施加电场为5kV/m的时候，开始的时候光的透过率下降到60％，然后慢慢恢复。过了200秒再测量，得到透过率达到90％左右。将电场强度变为15kV/m，开始的时候光的透过率下降到15％，然后慢慢恢复。过了400秒再测量，得到透过率达到90％以上。可知，通过改变电场的大小，可以改变光透射率，还可以改变透射率恢复到90％以上所需要的时间。表明电场对铁电性液体中光的透射率具有调控作用。透射率的变化情况也说明了铁电性液体中微粒的结构变化。当然，透过率还与很多因素有关，比如微粒的浓度、电场的大小、作用时间的长短、电场梯度的大小等。然而，对于BTO薄膜而言，光的透射率对所施加的电场大小没有关系。图3是BTO/Si薄膜不同电场下的透射率，以最初的透射率为1，从图3中可知，电场对薄膜中光的透射率没有明显的影响。

Claims

1.一种铁电性液体，其特征在于：包括铁电性的纳米颗粒、基液、表面活性剂，所述基液和所述表面活性剂均匀混合成混合液体，所述铁电性的纳米颗粒均匀分散在所述混合液体中形成稳定的悬浮液。

2.根据权利要求1所述的铁电性液体，其特征在于：所述纳米颗粒的粒径≦20nm。

3.根据权利要求1所述的铁电性液体，其特征在于：所述纳米颗粒是具有铁电性的纳米微粒或纳米线。

4.根据权利要求1所述的铁电性液体，其特征在于：所述基液为水、有机液体或有机水溶液。

5.根据权利要求1所述的铁电性液体，其特征在于：所述基液为硅油、十二烷基苯或聚丁烯油。

6.根据权利要求1所述的铁电性液体，其特征在于：所述表面活性剂为油酸钠或氨基十二烷。

7.制备权利要求1-6任一所述的铁电性液体的方法，其特征在于：包括以下步骤：

准备基液、表面活性剂以及干燥的纳米颗粒；

8.根据权利要求7所述的制备铁电性液体的方法，其特征在于：摇动时间大于半个小时。

9.根据权利要求7所述的制备铁电性液体的方法，其特征在于：所述V％小于20％。

10.根据权利要求7所述的制备铁电性液体的方法，其特征在于：所述V％小于2％。