ACS Mater. Lett. | 柔性透明高介電常數材料:聚合物鏈段與分子鐵電晶體的氫鍵連接

2021-03-06 ACS美國化學會

英文原題： Flexible and Transparent High-Dielectric-Constant Polymers Films Based on Molecular Ferroelectric-Modified Poly(Vinyl Alcohol)

通訊作者：蔡緒福，四川大學；賀曦敏，University of California, Los Angeles, United States

作者：Yunyun Yang (楊云云), Yusen Zhao (趙昱森), Jun Liu (劉軍), Zekun Nie (聶澤坤), Jun Ma (馬俊), Mutian Hua (華牧天), Yucheng Zhang (張禹成), Xufu Cai (蔡緒福) and Ximin He (賀曦敏)

氫鍵作為一種弱鍵普遍存在於自然界和生命體系中，構成分子間的相互作用和網絡，從而形成生命體系。例如DNA通過鹼基間的氫鍵作用形成穩定的配對組合使得遺傳信息更穩定，草木因纖維素間的氫鍵作用柔而堅韌。氫鍵作為次級鍵的一種由於具有靜電性質和定向性質，故而在分子形成晶體的堆積過程中有一定作用。尤其當體系中形成較多氫鍵時，通過氫鍵連接成網絡結構和多維結構在晶體學中有重要意義。

近日，美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)賀曦敏教授團隊與四川大學高分子科學與工程學院蔡緒福教授團隊協作，通過聚合物鏈段與具有自發極化能力的小分子鐵電分子間的氫鍵自主裝得到分子鐵電鹽均勻分散的透明柔性高介電聚合物薄膜(圖1，圖2，圖3)。相對而言，沒有形成氫鍵的分子鐵電鹽聚合物複合體系的均勻性和透明性就有大幅的下降。

圖1. 分子鐵電鹽與聚乙烯醇材料自主裝成膜      

圖2. 分子鐵電鹽在聚乙烯醇中自主裝結晶狀態

圖3. (A)1788PVA的AFM高度平面圖，(B)1788PVA的相圖，(C)10T@1788PVA的AFM高度平面圖，(D)10T@1788PVA的相圖

鐵電晶體會與聚乙烯醇-O-H形成氫鍵，針對分子鐵電晶體固有偶極子在交變電場中隨電場變化轉向故而影響分子間氫鍵的特性，我們設計了在交變電場中測試氫鍵的表徵方法，通過加入弱交變電場，測試聚合物薄膜羥基基團紅外光譜在交變電場中的變化。鐵電聚合物薄膜在3400 cm-1和1200 cm-1兩處的羥基峰因分子鐵電鹽偶極子在交變電場中的變化而出現峰值的波動。這是第一次利用固有偶極子在交變電場中的轉向證明出分子間氫鍵作用的例子。

圖4. 弱交變電場條件下聚合物薄膜紅外光譜的變化(A)788PVA, (B)10T@1788PVA

同時，氫鍵的作用也促進了鐵電分子在體系中形成鐵電相晶體，使得無鐵電性的聚乙烯醇材料顯示出鐵電性和高的介電性能。對比通過添加具有高介電常數的鐵電陶瓷，或者具有電導性的半導體、金屬材料和碳納米材料，來提高聚合物介電常數的複合體系，原位添加可溶解的、具有高居裡溫度點的、自發極化偶極子的分子鐵電晶體的複合材料，具有高介電常數、透明性和柔性的優勢。低添加量(4.1wt.%-9wt.%)TEDA.C的聚乙烯醇複合體系的介電常數和儲能密度達到純體系的10-100倍，剩餘極化強度增加了3200倍，透明度維持在85%以上，儲存模量增加了116%，斷裂伸長率可達到274%。

本文為小分子鐵電鹽與聚合物材料結合提供了研究思路，有潛力應用於下一代多功能柔性儲能器件。同時具有透明柔性的聚合物介電複合材料，也可擴展應用於智能介電響應、電子皮膚、介電制動器等方面，為人類的生活提供更多便捷。

 

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ACS Materials Lett. 2020, ASAP

Publication Date: March 27, 2020

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.0c00086

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