Understanding the Ferroelectric Polymer–Metal Contact Electrification for Triboelectric Nanogenerator from Molecular and Electronic Structure

材料科学 摩擦电效应 铁电性 接触带电 铁电聚合物 聚偏氟乙烯 聚合物 化学物理 偶极子 离域电子 纳米技术 复合材料 电介质 光电子学 有机化学 化学
作者
Lizhou Li,Xiaoli Wang,Yanqiang Hu,Zhihao Li,Chenfei Wang,Zirui Zhao
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (10) 被引量:24
标识
DOI:10.1002/adfm.202109949
摘要

Abstract The contact electrification of ferroelectric polymer can be more complicated due to its ordered permanent molecular dipoles and dipole–dipole interactions. Herein, the polyvinylidene fluoride (PVDF)‐Cu is taken as an example to investigate the mechanism of ferroelectric polymer‐metal contact electrification via first‐principles calculations. It is revealed that different from non‐ferroelectric polymers, when ferroelectric polymers are in contact with metals, the charge transfer occurs not only at the interface but also inside the polymer due to the existence of polar phases. Specifically, the polar phases in the crystallization region can effectively enhance the charge transfer between the ferroelectric polymer and metal because the polar molecules in PVDF possess the stronger electrostatic potential, more delocalized lowest unoccupied molecular orbital, and additional dipole–dipole interactions compared with nonpolar molecules. In addition, the coupling mechanism of piezoelectricity and triboelectricity in ferroelectric polymer‐metal contact electrification under compression is also investigated. It is demonstrated that the deformation increases the degree of noncoincidence between positive and negative charge centers in polar phases and causes charge transfer between the polar molecular chains of PVDF, thus producing the extra charge transfer between the ferroelectric polymer and metal. This study provides a theoretical basis for the material design of triboelectric nanogenerators based on ferroelectric polymers.
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