多功能PVDF/Ni-Mn铁氧体纳米复合材料的介电与光电性能比较分析

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纳米复合材料 PVDF α相 β相 光学性质 介电性质

研究背景

近年来，多铁性纳米复合材料因其在传感器、储能系统、换能器和执行器等领域的广泛应用而备受关注。这类材料结合了聚合物和陶瓷基质的优点，如轻质、易加工、耐腐蚀、高机械强度以及压电和磁电行为。聚偏氟乙烯（Polyvinylidene fluoride, PVDF）作为一种重要的聚合物，因其优异的介电常数、低反应性、高热塑性、柔韧性及透明性等特点，成为制备多铁性纳米复合材料的理想选择。

然而，PVDF具有多种晶相（α、β、γ 和 δ），其中α相是非极性的，而β相则因高度有序排列的负氟原子和正氢离子分别位于聚合物链两侧，表现出显著的压电、铁电和热电性能。因此，优化PVDF中β相的浓度对于提升其性能至关重要。此外，磁性纳米颗粒（如镍铁氧体和锰铁氧体）因其独特的磁性和介电特性也引起了广泛关注。将这些磁性纳米颗粒引入PVDF基体中，不仅可以增强材料的光学和介电性能，还可能赋予其新的功能特性。

本研究旨在通过掺入Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄铁氧体纳米颗粒来改善PVDF纳米复合材料的光学、介电和电学性能，并探讨其潜在的应用价值。

论文来源

这篇论文由Sarah A. Alshehri等人撰写，作者分别来自沙特阿拉伯的Princess Nourah Bint Abdulrahman University、埃及的Sinai University和Tanta University。论文于2024年12月25日被接受，并发表在《Optical and Quantum Electronics》期刊上，卷号为57，文章编号159。DOI为10.1007/s11082-024-08017-8。

研究流程与方法

a) 研究流程与实验设计

本研究主要分为以下几个步骤：

1. 样品制备

研究团队采用溶液浇铸法（casting method）制备了PVDF/Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄纳米复合薄膜。具体步骤如下： - 将1.5 g PVDF溶解在25 mL二甲基甲酰胺（DMF）中，在50°C下持续搅拌以确保完全溶解。 - 按照不同重量比（x = 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 g）加入Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄纳米颗粒，并继续搅拌90分钟以实现均匀分散。 - 将混合液倒入干净的玻璃培养皿中，并在50°C烘箱中干燥24小时以蒸发溶剂并形成薄膜。

2. 样品表征

为了全面评估纳米复合材料的结构、光学和介电性能，研究团队采用了以下表征技术： - X射线衍射（XRD）：用于分析样品的晶体结构和晶粒尺寸。 - 扫描电子显微镜（SEM）：观察样品的表面形貌和颗粒分布。 - 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：识别PVDF的不同晶相（α、β 和 γ）。 - 紫外-可见分光光度计（UV-Vis Spectrophotometry）：测量光学吸收系数和带隙能量。 - 宽带介电谱仪（BDS）：在10 Hz至10 MHz频率范围内测量介电常数、交流电导率和阻抗。

3. 数据分析

研究团队使用了多种算法和公式对数据进行分析，包括： - Debye-Scherrer公式：计算晶粒尺寸。 - Williamson-Hall分析：区分晶粒尺寸和微观应变。 - Tauc图：确定间接带隙能量。 - Urbach能量分析：评估材料内部无序程度。

b) 主要结果

1. 结构分析

  • XRD分析显示，随着Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄含量增加，PVDF的结晶度降低，非晶相增加。α相的强度逐渐减弱，而β相的强度保持相对稳定。
  • SEM图像表明，Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄纳米颗粒在PVDF基体中分布均匀，但随着掺杂量增加，颗粒聚集现象加剧。
  • FTIR光谱进一步证实了α相向β相的转变，这可能是由于磁性纳米颗粒与PVDF链之间的相互作用所致。

2. 光学性能

  • 光学吸收光谱显示，随着Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄含量增加，吸收系数（α）显著提高，吸收边发生红移。
  • 带隙能量从纯PVDF的5.59 eV降至掺杂后的4.90 eV，表明材料的导电性增强。
  • 折射率（n）随Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄含量增加而提高，范围从1.92到2.02。

3. 介电性能

  • 在低频范围内，介电常数（ε’）随频率增加而下降，但在高频范围内趋于稳定。
  • 随着Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄含量增加，ε’的最大值达到15（x = 0.6时），这可能归因于界面极化效应的增强。
  • 交流电导率（σ’）在低频范围内与频率无关，但在高频范围内遵循Jonscher普遍幂律。

c) 研究结论

本研究表明，通过将Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄纳米颗粒掺入PVDF基体中，可以显著改善纳米复合材料的光学和介电性能。具体而言： - β相的增加提高了材料的压电和铁电性能。 - 带隙能量的降低和折射率的提高增强了材料的光学响应。 - 介电常数和交流电导率的改善使其在传感器和储能设备中具有潜在应用价值。

d) 研究亮点

  1. 创新性方法：首次系统地研究了Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄对PVDF纳米复合材料性能的影响。
  2. 重要发现：揭示了磁性纳米颗粒如何促进PVDF从α相向β相的转变。
  3. 多领域应用潜力：该材料在柔性电子器件、传感器和储能系统中具有广泛的应用前景。

研究意义与价值

本研究不仅深化了对PVDF/铁氧体纳米复合材料的理解，还为开发高性能多功能材料提供了新思路。通过优化纳米颗粒的掺杂比例，可以进一步调控材料的光学和介电性能，从而满足特定应用场景的需求。此外，本研究的方法和结论也为其他类似材料的设计和开发提供了重要参考。