《先进功能材料》室温介电开关纳米复合材料

介电 材料 是 现代电子器件的基础材料 ，而 温敏介 电材 料则 在 太阳能储能 、智能开关、传感器等领 域有着重要的应 用 潜力。 温敏介电材料 是一种 当外界温度发生变化 时，能够自动作出响应，并调 节自身 物理特性 的 智 能材料 。而 在这类材料当中， 室 温介电开关 材 料由于能 够在 室温条件下被触 发 ， 并在很窄的温度范围 内实现介电常数的调控， 对室温智能器件 的 设计具 有着重要意义 ，并引起了研究者的广泛兴趣。

最近， 北京 师范大学 核科学与技术学院 的 郑瑞廷教授 研究 组 利用一种简单而巧妙的办 法实 现了 这 种室温介 电开关 材料 。其方法是 将 十八胺修饰的 碳纳米管分散 在十六烷中形成稳定的纳米悬浮液， 这 种 悬浮液能够 在 18 摄氏度 附 近实现介电常数的自主调控，其开关比可高达106.4。这 是 目前室 温介电开关材料中所拥有的最 高开关比。

这 种介电开关复合材料背后的物 理机制缘于 十 六烷基质发生一级 相变时复合材料中碳纳米管阈渗网络的形成与破坏[1-3]。当温度下降时， 十六烷发生凝 固， 碳纳米管被推动到十六烷晶界处， 并形成良好的导电阈渗网 络。 这些导电网络增 强了电极 上的电子 注入 以及碳纳 米管与 十六 烷 晶体界 面处的界面极化，从而使得凝固状态下的碳纳米管/十六烷复合物具有很高的介电常数。而当温度上升时，十六烷开始融化，晶界处的内应力消失，十六烷在嫁接的十八胺长链的空间位阻效应以及布朗运动作用下，重新分散到液态十六烷中，之前所形成的导电阈渗网络遭到破坏，因此介电常数很快下降。其结构变化及开关原理示意图如图1所示。

图1 相变过程中的显微结构演化。图a-d为体积分数为0.05%的复合物样品在相变过程中的光学图片。图a为液体状态，图b为固液界面区域，图c为板条状晶体区域，图d为针状晶体区域，红线所圈的范围为被挤压在晶界处而形成带状物的碳纳米管；图e为开关原理示意图。

该复合材料的介电开关特性如图2(a)所示。当样品处于液态时（区域III），样品的介电常数整体小于20，并且随着温度的下降没有明显的变化；当样品温度降至相变点时，样品的介电常数突然上升，并在1摄氏度的范围内（区域II）完成了跳跃；当样品完全固化后，其介电常数停止上升，并保持稳定。样品的介电常数开关比值随样品中碳纳米管的添加量的不同而不同。在测试频率为1Hz时,随着碳纳米管的体积分数由0.0%增加至1.5%时，复合材料介电常数开关比从1.2升至64.2，当碳纳米管体积分数进一步增加至2%时介电常数开关比略有下降（图2(b)）。同时，该复合材料介电常数开关比也呈现出频率依赖性（如图2(c)所示）。在含2.0%体积分数碳纳米管的样品中，在150.6赫兹频率处，其介电常数开关比可以达到106.4。室温介电开关复合材料的介电常数开关比随体积分数、频率的变化，这也为智能器件的设计提供了多样而丰富的选择。

图2 复合材料的介电常数随温度、体积分数和频率的变化规律。图a为不同体积分数下，介电常数随温度的变化图；图b为频率为1Hz时，介电常数随体积分数的变化图；图c为体积分数为2.0%时，复合物在28.5˚C和13.1˚C时的介电常数频谱图；图d为在不同体积分数下，介电常数开关比的频谱图。

参考文献：

[1] R. Zheng, J. Gao,J. Wang, G. Chen, Nat. Commun. 2011, 2, 289.