In Situ Catalytic Encapsulation of Core-Shell Nanoparticles Having Variable Shell Thickness: Dielectric and Energy Storage Properties of High-Permittivity Metal Oxide Nanocomposites

材料科学 纳米复合材料 纳米颗粒 电介质 介电常数 复合材料 差示扫描量热法 透射电子显微镜 介电损耗 化学工程 纳米技术 光电子学 热力学 物理 工程类
作者
Zhong Li,Lisa A. Fredin,Pratyush Tewari,Sara A. DiBenedetto,Michael T. Lanagan,Mark A. Ratner,Tobin J. Marks
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:22 (18): 5154-5164 被引量:191
标识
DOI:10.1021/cm1009493
摘要

Aluminum oxide encapsulated high-permittivity (ε) BaTiO3 and ZrO2 core-shell nanoparticles having variable Al2O3 shell thicknesses were prepared via a layer-by-layer methylaluminoxane coating process. Subsequent chemisorptive activation of the single-site metallocene catalyst [rac-ethylenebisindenyl]zirconium dichloride (EBIZrCl2) on these Al2O3-encapsulated nanoparticles, followed by propylene addition, affords 0−3 metal oxide-isotactic polypropylene nanocomposites. Nanocomposite microstructure is analyzed by X-ray diffraction, transmission electron microscopy, scanning electron microscopy, differential scanning calorimetry, atomic force microscopy, and Raman spectroscopy. The in situ polymerization process yields homogeneously dispersed nanoparticles in a polyolefin matrix. Electrical measurements indicate that as the concentration of the filler nanoparticles increases, the effective permittivity of the nanocomposites increases, affording ε values as high as 6.2. The effective permittivites of such composites can be predicted by the Maxwell−Garnett formalism using the effective medium theory for volume fractions (νf) of nanoparticles below 0.06. The nanocomposites have leakage current densities of ∼10−7−10−9 A/cm2 at an electric field of 105 V/cm, and very low dielectric loss in the frequency range 100 Hz−1 MHz. Increasing the Al2O3 shell thickness dramatically suppresses the leakage current and high field dielectric loss in these nanocomposites.
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