Electrically variable interfaces in polymer nanocomposite dielectrics

纳米复合材料 电介质 材料科学 聚合物 变量(数学) 复合材料 聚合物纳米复合材料 纳米技术 光电子学 数学 数学分析
作者
Wen-Zhi Luo,Zhonghui Shen,Yang Shen,Long‐Qing Chen,Ce‐Wen Nan
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:109 (18) 被引量:9
标识
DOI:10.1103/physrevb.109.184205
摘要

Polymer nanocomposites generally exhibit unexpected dielectric/electrical performance far beyond the sum of every component, which is mainly due to the interface effect induced by the differences in structures and properties between the nanofillers and the polymer matrix. However, understanding the capricious interface effect in different polymer nanocomposites remains a major challenge. Here, we perform density functional theory calculations to investigate the atomic/molecular configurations and local charge behaviors of heterogeneous interfaces between the fillers of perovskites, oxides, two-dimensional materials, and polar/nonpolar polymers. Our findings demonstrate that atomic reconfiguration takes place during the formation of the inorganic/organic interface in order to minimize the overall energy of the system. Significant charge accumulation occurs at heterogeneous interfaces due to electron redistribution, especially for the examples of $\mathrm{Hf}{\mathrm{O}}_{2}$ and negatively charged $\mathrm{C}{\mathrm{a}}_{2}\mathrm{N}{\mathrm{b}}_{3}{\mathrm{O}}_{10}$. When applying an electric field, local polarization, especially around the interface, will be distorted and enhanced as a result of interfacial interaction. Even for the nonpolar polymer with linear dielectric oxides such as $\mathrm{Ti}{\mathrm{O}}_{2}$, induced dipole moments also appear near the interface, leading to the improvement of overall polarizability. The outcomes of our study verify that the variable electrical behaviors at the interfaces are highly dependent on the feature of every component constituting the inorganic/organic interface, which offers valuable insights for optimizing the experimental design of heterogeneous interfaces in polymer nanocomposites.
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