En rad ihåliga piezoelektriska polymernanorör odlade av A*STAR-forskare skulle kunna användas som en extremt känslig akustisk sensor.

Rören är gjorda av en piezoelektrisk polymer som kallas poly (vinylidenfluorid-co-trifluoretylen), eller P(VDF-TrFE)—till vilken applicering av en spänning orsakar en formförändring; omvänt, polymeren genererar en spänning när den pressas eller vrids. Piezoelektriska polymerer är betydligt mer flexibla än andra piezoelektriska material, och är mycket lyhörda för påtryckningar.

Att forma piezoelektriska material till nanorör kan förbättra deras egenskaper, men flexibla polymernanorör tenderar att aggregera i buntar.

Kui Yao och kollegor vid A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, och National University of Singapore, har nu utvecklat en metod för att skapa vertikala uppsättningar av ihåliga P (VDF-TrFE) nanorör, avsevärt öka deras piezoelektriska kapacitet. "För första gången, vi har visat förbättrad piezoelektrisk prestanda i en högkvalitativ P(VDF-TrFE) nanorörsuppsättning, "säger Yao.

Teamet gjorde först en mall - ett tunt ark av anodiserad aluminiumoxid med vertikala porer upp till 4 mikrometer djupa och 350 nanometer breda - och lade till en beläggning av P(VDF-TrFE). Uppvärmning till 250 grader Celsius smälte polymeren in i porerna, belägga sina väggar. De upprepade cykeln 15 gånger för att skapa en polymerbeläggning 60 nanometer tjock.

De täckte den polymerladdade mallen med en tunn guldelektrod, vänd sedan strukturen och monterade den på ett glasunderlag. De använde en syra för att etsa bort en del av aluminiumoxiden, exponerar spetsarna på de ihåliga polymernanorören inuti (se bild), och täckte dem med en annan guldelektrod.

Röntgendiffraktion och infraröd spektrometri avslöjade att den elektriska polariseringen av polymeren var i linje med nanorörets axel, vilket ökade den totala polariseringen i den riktningen med 1,5 gånger. "Den dominerande mekanismen för förbättrad piezoelektrisk prestanda är baserad på denna unika molekylära orientering och nanorörets struktur, " säger Yao.

Forskarna fann att en växelspänning förändrade nanorörens spänning nästan dubbelt så mycket som en vanlig P(VDF-TrFE)-film. De antog också att applicering av en liten spänning på strukturen kan ge en spänning som är många gånger större än konventionella piezoelektriska material, och mer än tre gånger så stor som en standard piezoelektrisk polymerfilm. "Detta är viktiga indikatorer på ett piezoelektriskt materials prestanda för elektromekaniska applikationer som energiskördare, sensorer och givare, " säger Yao. "Vi arbetar nu för att demonstrera akustiska sensorer som använder P(VDF-TrFE) nanorörsuppsättningen, med ökad känslighet jämfört med konventionella piezoelektriska filmer."