Analyse comparative des propriétés diélectriques et optoélectroniques dans des nanocomposites multifonctionnels
Contexte de recherche
Ces dernières années, les nanocomposites multiferroïques ont attiré une attention particulière en raison de leurs applications variées dans les capteurs, les systèmes de stockage d’énergie, les transducteurs et les actionneurs. Ces matériaux combinent les avantages des polymères et des matrices céramiques, tels que la légèreté, la facilité de traitement, la résistance à la corrosion, la haute résistance mécanique ainsi que les comportements piézoélectrique et magnétoélectrique. Le polyfluorure de vinylidène (Polyvinylidene fluoride, PVDF) est un polymère important qui, grâce à ses excellentes propriétés telles qu’une constante diélectrique élevée, une faible réactivité, une grande thermoplastie, une flexibilité et une transparence, devient un choix idéal pour la fabrication de nanocomposites multiferroïques.
Cependant, le PVDF présente plusieurs phases cristallines (α, β, γ et δ), dont la phase α est non polaire, tandis que la phase β montre des performances significatives en piézoélectricité, ferroélectricité et thermoélectricité grâce à un arrangement hautement ordonné d’atomes de fluor négatifs et d’ions d’hydrogène positifs situés respectivement des deux côtés de la chaîne polymère. Par conséquent, l’optimisation de la concentration de la phase β dans le PVDF est cruciale pour améliorer ses performances. De plus, les nanoparticules magnétiques (telles que les ferrites de nickel et de manganèse) ont également suscité une grande attention en raison de leurs caractéristiques magnétiques et diélectriques uniques. L’introduction de ces nanoparticules magnétiques dans la matrice de PVDF peut non seulement améliorer les propriétés optiques et diélectriques du matériau, mais aussi lui conférer de nouvelles fonctionnalités.
Cette étude vise à améliorer les propriétés optiques, diélectriques et électriques des nanocomposites de PVDF en incorporant des nanoparticules de ferrite Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄, tout en explorant leur valeur d’application potentielle.
Source de l’article
Cet article a été rédigé par Sarah A. Alshehri et al., issus de la Princess Nourah Bint Abdulrahman University en Arabie saoudite, de l’Université du Sinaï et de l’Université de Tanta en Égypte. Il a été accepté le 25 décembre 2024 et publié dans la revue Optical and Quantum Electronics, volume 57, numéro d’article 159. Le DOI est 10.1007/s11082-024-08017-8.
Processus de recherche et méthodologie
a) Processus de recherche et conception expérimentale
Cette étude se divise principalement en plusieurs étapes :
1. Préparation des échantillons
L’équipe de recherche a utilisé la méthode de coulée (casting method) pour préparer des films nanocomposites de PVDF/Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄. Les étapes spécifiques sont les suivantes : - Dissoudre 1,5 g de PVDF dans 25 ml de diméthylformamide (DMF) à 50°C avec agitation continue pour assurer une dissolution complète. - Ajouter des nanoparticules de Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄ selon différents rapports massiques (x = 0, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 g) et continuer à agiter pendant 90 minutes pour obtenir une dispersion homogène. - Verser le mélange dans des boîtes de Petri propres et sécher à 50°C pendant 24 heures pour évaporer le solvant et former un film.
2. Caractérisation des échantillons
Pour évaluer de manière approfondie les propriétés structurales, optiques et diélectriques des nanocomposites, l’équipe de recherche a utilisé les techniques de caractérisation suivantes : - Diffraction des rayons X (XRD) : pour analyser la structure cristalline et la taille des grains des échantillons. - Microscopie électronique à balayage (SEM) : pour observer la morphologie de surface et la distribution des particules. - Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) : pour identifier les différentes phases cristallines du PVDF (α, β et γ). - Spectrophotométrie UV-Visible : pour mesurer le coefficient d’absorption optique et l’énergie de bande interdite. - Spectrométrie diélectrique large bande (BDS) : pour mesurer la constante diélectrique, la conductivité alternative et l’impédance dans une gamme de fréquences de 10 Hz à 10 MHz.
3. Analyse des données
L’équipe de recherche a utilisé divers algorithmes et formules pour analyser les données, y compris : - Formule de Debye-Scherrer : pour calculer la taille des cristaux. - Analyse de Williamson-Hall : pour distinguer la taille des cristaux et la microdéformation. - Graphe de Tauc : pour déterminer l’énergie de bande interdite indirecte. - Analyse de l’énergie d’Urbach : pour évaluer le degré de désordre interne du matériau.
b) Résultats principaux
1. Analyse structurale
- L’analyse XRD a montré que, lorsque la teneur en Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄ augmente, la cristallinité du PVDF diminue, tandis que la phase amorphe augmente. L’intensité de la phase α diminue progressivement, tandis que celle de la phase β reste relativement stable.
- Les images SEM montrent que les nanoparticules de Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄ sont uniformément distribuées dans la matrice de PVDF, mais avec l’augmentation du dopage, des phénomènes d’agrégation des particules se produisent.
- Les spectres FTIR confirment davantage la transition de la phase α vers la phase β, probablement due aux interactions entre les nanoparticules magnétiques et les chaînes de PVDF.
2. Performances optiques
- Les spectres d’absorption optique montrent qu’avec l’augmentation de la teneur en Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄, le coefficient d’absorption (α) augmente considérablement, et le bord d’absorption subit un décalage vers le rouge.
- L’énergie de bande interdite passe de 5,59 eV pour le PVDF pur à 4,90 eV après dopage, indiquant une augmentation de la conductivité du matériau.
- L’indice de réfraction (n) augmente avec la teneur en Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄, variant de 1,92 à 2,02.
3. Performances diélectriques
- Dans la plage de basses fréquences, la constante diélectrique (ε’) diminue avec l’augmentation de la fréquence, mais elle tend à se stabiliser à haute fréquence.
- Avec l’augmentation de la teneur en Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄, la valeur maximale de ε’ atteint 15 (pour x = 0,6), ce qui pourrait être attribué à l’amélioration de l’effet de polarisation interfaciale.
- La conductivité alternative (σ’) est indépendante de la fréquence à basse fréquence, mais suit la loi de puissance universelle de Jonscher à haute fréquence.
c) Conclusions de l’étude
Cette étude montre que l’introduction de nanoparticules de Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄ dans la matrice de PVDF peut améliorer de manière significative les propriétés optiques et diélectriques des nanocomposites. En particulier : - L’augmentation de la phase β améliore les performances piézoélectriques et ferroélectriques du matériau. - La diminution de l’énergie de bande interdite et l’augmentation de l’indice de réfraction renforcent la réponse optique du matériau. - L’amélioration de la constante diélectrique et de la conductivité alternative ouvre des perspectives d’applications potentielles dans les capteurs et les dispositifs de stockage d’énergie.
d) Points forts de l’étude
- Méthode innovante : Première étude systématique sur l’impact de Ni₀.₂Mn₀.₈Fe₂O₄ sur les performances des nanocomposites de PVDF.
- Découverte importante : Révélation du rôle des nanoparticules magnétiques dans la promotion de la transition de la phase α vers la phase β dans le PVDF.
- Potentiel d’application multi-domaines : Ce matériau présente un large éventail d’applications potentielles dans les dispositifs électroniques flexibles, les capteurs et les systèmes de stockage d’énergie.
Signification et valeur de la recherche
Cette étude ne fait pas qu’approfondir la compréhension des nanocomposites PVDF/ferrite, mais fournit également de nouvelles idées pour le développement de matériaux multifonctionnels performants. En optimisant le rapport de dopage des nanoparticules, il est possible de réguler davantage les propriétés optiques et diélectriques du matériau afin de répondre aux besoins spécifiques des applications. De plus, les méthodes et conclusions de cette étude offrent une référence importante pour la conception et le développement d’autres matériaux similaires.