Significant Improvements in Dielectric Constant and Energy Density of Ferroelectric Polymer Nanocomposites Enabled by Ultralow Contents of Nanofillers

材料科学 电介质 聚合物纳米复合材料 聚合物 纳米复合材料 复合材料 高-κ电介质 铁电聚合物 电容器 铁电性 光电子学 电压 电气工程 工程类
作者
Li Li,Jingsai Cheng,Yunyun Cheng,Ting Han,Yang Liu,Yao Zhou,Guanghui Zhao,Yan Zhao,Chuanxi Xiong,Lijie Dong,Qing Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (35) 被引量:170
标识
DOI:10.1002/adma.202102392
摘要

Abstract Polymer dielectrics with excellent processability and high breakdown strength ( E b ) enable the development of high‐energy‐density capacitors. Although the improvement of dielectric constant ( K ) of polymer dielectric has been realized by adding high‐ K inorganic fillers with high contents (>10 vol%), this approach faces significant challenges in scalable film processing. Here, the incorporation of ultralow ratios (<1 vol%) of low‐ K Cd 1− x Zn x Se 1− y S y nanodots into a ferroelectric polymer is reported. The polymer composites exhibit substantial and concurrent increase in both K and E b , yielding a discharged energy density of 26.0 J cm −3 , outperforming the current dielectric polymers and nanocomposites measured at ≤600 MV m −1 . The observed unconventional dielectric enhancement is attributed to the structural changes induced by the nanodot fillers, including transformation of polymer chain conformation and induced interfacial dipoles, which have been confirmed by density function theory calculations. The dielectric model established in this work addresses the limitations of the current volume‐average models on the polymer composites with low filler contents and gives excellent agreement to the experimental results. This work provides a new experimental route to scalable high‐energy‐density polymer dielectrics and also advances the fundamental understanding of the dielectric behavior of polymer nanocomposites at atomistic scales.
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