了解小分子或單體的性質是非常重要的。合成化學家和材料工程師的努力必須得到讚賞，因為他們知道如何利用合成片段的性質來構建長鏈大分子。活躍在這一大分子科學領域的科學家們分享了他們在催化劑、單體和各種合成技術中設計的納米顆粒方面的知識，從而創造出各種納米複合聚合物材料。這些材料現在是當代世界不可分割的一部分。摘要高介電常數聚合物納米複合材料廣泛應用於柵介質、致動器、紅外探測器、可調諧電容器、電光器件、有機場效應電晶體和傳感器等技術領域。研究人員概述了近幾十年來材料科學領域中一些引人注目的高鉀聚合物納米複合材料。
聚合物的發現為當今時代提供了一個新的維度:這一相對年輕的化學分支作為基礎科學和應用科學，在過去的50年裡都取得了巨大的發展。通常，由於飽和碳原子之間的共價鍵，聚合物以其絕緣特性而聞名。由於聚合物的性質可以通過加入納米填充劑等添加劑來改變，許多聚合物框架被定製並方便地獲得具有可調性能的導電/半導體行為的聚合物，這在電子領域開闢了新的專門應用。為在技術領域創造新的介面，開發了具有高介電性能的聚合物結構。在微/納米電子領域，聚合物的結構可調性開發微型模塊一直是一個具有挑戰性的主題，其中聚合物不僅可以用作絕緣體，還可以作為導電接口，通過優化調整電、機械和介電性能。
一般而言，k值的標度固定在二氧化矽（SiO2）的介電常數上。二氧化矽的相對介電常數為3.9，並且其具有材料ķ <3.9通常稱為低ķ材料和那些ķ > 3.9被歸類為高ķ材料。將高k無機/有機雜化納米材料嵌入介電聚合物中可形成介電聚合物納米複合材料，具有出色的介電性能和高擊穿強度/高能量密度，適合用於合適的電子應用。
High-k介電聚合物
與傳統的剛性矽技術相比，高k聚合物納米複合材料的固有性能為柔性和可拉伸電子領域提供了一個新的維度。聚合物基電容器裝置的主要優點是獨特的設計，具有靈活性和易於處理。因此，利用該材料生產作為非平面柔性襯底的中等高壓電子設備不需要任何關鍵尺寸。此外，在介電聚合物基體中加入高鉀納米結構雜化材料可以調節機械剛度和調整電子性能。因此，研究人員可以注意到開發無機/有機雜化納米材料的大量研究，這有助於實現用於技術應用的高k聚合物納米複合材料的顯著增長。
通常，增強介電擊穿強度可以通過將納米粒子加載到介電聚合物中來實現。首先使用相容溶劑分散納米粒子，然後將其嵌入介質聚合物基體中。這種溶液混合技術是合成具有優良介電擊穿強度的高鉀聚合物納米複合材料的最著名的方法。考慮到擊穿強度，表1列出了一些重要的聚合物。基於擊穿強度，聚四氟乙烯(PTFE)和聚丙烯(PP)是最佳選擇。然而，與溶劑的相容性和薄膜處理的易用性也是關鍵參數，這將決定聚合物複合材料的最終應用。聚偏二氟乙烯(PVDF)複合材料製備薄膜容易，是一種理想的選擇。研究人員注意到PVDF複合材料在機械和聲學傳感器、致動器、能量收集和非易失性存儲器應用方面的大量研究報告，因為其壓電、熱和鐵電特性。
表1.某些聚合物的擊穿強度(介電強度)
由於SU-8結構塊可由照片定義，其上可由照片繪出的高k介質可用於嵌入式電容器的應用。此外，聚氯乙烯(PVC)是一種廣泛使用的熱塑性聚合物，由於其具有增塑劑和高k介質納米顆粒的多功能特性，它可以成功地應用於消費電子產品。由於對柔性和柔性智能設備的需求日益增長，研究人員的研究小組製作了基於二氧化矽納米顆粒嵌入塑化PVC凝膠的柔性振動觸覺執行器。在設計的振動致動器中採用軟凝膠作為介電層。為了使彈性恢復力最大化，設計了一種波浪形ePVC凝膠。軟振動致動器的設計如圖1所示。所提出的基於塑化PVC/二氧化矽納米粒子複合材料的軟振動致動器在較寬的頻率範圍內表現出較寬的振幅變化，並給用戶帶來多種觸覺感受。
圖2是由CTBN和C6形成的彈性網絡介電膜的示意圖。他們報導了自組織的C6聚集體在介電基質中扮演納米膜的角色，並通過抑制電樹生長來增強介電強度。Lee等人也報導了類似的策略，通過可逆添加-斷裂鏈轉移(RAFT)過程設計了統計共聚物聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯)。由於筏板工藝涉及到離子液體，他們報告了由此產生的聚合物凝膠的優越離子電導率，以及在電晶體門控實驗中增強的器件性能。
報導的聚丙烯碳酸鹽(PPC)介電膜與半導五苯和N,N ' -二辛基-3,4,9,10苝二醯亞胺(PTCDI-C8)具有良好的相容性。此外，所報導的PPC薄膜表面能為47 mN m−1，介電常數為3，可作為有機薄膜電晶體(OTFTs)和有機逆變器的襯底材料。為了理解PPC襯底上的底柵頂觸式OTFT和OTFT的基本設計，研究人員繪製了草圖並在圖3中給出。研究人員可以看到在PPC上沉積了一層超薄的銀(Ag)金屬柵，並在PPC層上自旋塗覆了厚層(970nm)的生物相容性介電性聚乙烯吡咯烷酮(PVPy)。此外，通過將納米銀粒子加載到塑料溶膠中，設計了基於織物的可穿戴生物電氣和生化傳感器。這些聚合物可以很容易地絲網印刷在紡織品上，因為它們很好地附著在織物上。很明顯，高k介電納米粒子、碳同素異晶、導電聚合物和有機晶體材料的強化可以增強聚合物納米複合材料的介電性能。然而，Zhang等人報導的聚丙烯(PP)/碳納米管(CNT)納米複合材料即使在低碳納米管負載下也表現出負介電常數，這是因為碳納米管的低電阻行為。
圖3.表示(a)在聚丙烯碳酸鹽基板上的底柵頂觸式有機薄膜電晶體(OTFT)的象形圖，和(b) OTFT的典型設計
通過添加不同的增塑劑，PVC的機械剛度和電持久性都可以改變。即使摻雜了改性無機納米顆粒，介電特性的微調也可以完成並用於設計高性能執行器。一些報告還表明，摻雜到PVC中的氧化石墨烯和增塑劑可以作為人造肌肉應用的軟致動器。塑化熱塑性PVC凝膠的可控魯棒性在可3d列印的人造肌肉的模塊化構造中得到了適當的應用，有時機械驅動非常有效，它們表現得像人類肌肉。最近，Shi等人製備了超高介電常數介質凝膠。所製備的介電凝膠透明、可拉伸，介電常數在30-50範圍內，為軟機器人、傳感器和光電應用提供了巨大的機會。Shi等人報導的獲得透明介電凝膠所使用的化學物質和簡短的反應條件如圖4所示。
圖4.使用ACMO(單體)，MBA(交聯劑)和EC-PC溶劑的透明介電凝膠的示意圖未來展望及挑戰
目前，利用集成技術和相干經典路徑來獲得高鉀聚合物納米複合材料的趨勢越來越明顯。在這種條件刺激下，增強具有物理化學和機電穩定性的高鉀聚合物納米複合材料的介電響應一直是一個具有挑戰性的主題。由於化學長徑比和納米粒子與介電基質的表面性質也決定了特殊應用的最終性質，因此開發改變無機納米結構的功能有機單元將需要定製，以獲得優化的高鉀納米粒子。大量的合成知識也是必要的，這可以為有機電子應用帶來更可靠的高鉀材料。近年來在設計軟致動器和電動機械響應式3d列印人工肌肉方面的進展需要工程專業知識和技能，這有助於實現全面的動態結構。由於介電彈性體材料具有卓越的可恢復變形能力，因此已被開發用於設計對外界刺激敏感的智能材料。而通過包埋功能化的高k介電納米粒子，對介電彈性體的性能研究較少。
柔性電子(也稱為撓性電路)的日益普及，是一種將電子電路組裝在柔性/可拉伸表面上的技術。這為設計柔性和可伸縮的顯示器、柔性光伏電池陣列板、織物上的電子電路、柔性可穿戴電池器件等領域提供了新的建議。將高介電性納米材料引入各種柔性高分子材料中，是設計新型功能材料的正確策略。考慮到聚合物介電材料的低介電常數行為這一關鍵問題，有效的製備方法也是提高其介電性能的前提，已成為開發高性能高k聚合物介電材料的重要研究課題。
論文連結：
https://www.mdpi.com/2076-3417/10/12/4249/htm文章來源：賢集網
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