铁电聚合物基复合材料由于优异的力电耦合特性广泛应用于柔性传感、智能驱动等领域，其中复合界面设计能极大增强其力电耦合性能。然而，受限于界面相纳米级的尺寸及复杂的结构，界面对性能的调控机制和设计准则仍不清晰，极大限制了高性能铁电复合材料的研发。
针对此问题，西南交通大学邓维礼副教授和杨维清教授团队以BTO/P(VDF-TrFE)铁电复合材料的压电性能为研究对象，利用开尔文探针力显微镜结合理论模拟的方法，从不同尺度和视角研究了复合材料中界面相对压电行为的调控规律。基于经典的Maxwell-Wagner- Sillars 极化理论，揭示了因填料相和基体相之间的介电及电导失配导致的界面极化对压电性能的增强机制，压电性能由基体相的28.8 pC/N提升至复合相的35.5 pC/N。进一步，研究者以SiO2、TiO2这类非铁电型填料为对象探究了介电及电导失配所形成的界面极化对压电性能的增强行为，验证了这一理论的科学性和普适性，研究成果有望为高性能铁电聚合物基复合材料的设计提供新的思路。相关成果以“Insight into Interfacial Polarization for Enhancing Piezoelectricity in Ferroelectric Nanocomposites”为题在线发表于《Small》上(DOI:10.1002/smll.202207947)，西南交通大学材料学院2021级博士生田果为论文第一作者。该项工作得到了国家自然科学基金、四川省科技项目以及中央高校基础研究经费等项目的支持。
图1.界面极化对压电性能的调控示意图 (a) 铁电聚合物复合材料中的填料相、基体相及界面相示意图；(b-c)界面相附近的电荷分布及界面偶极示意图；(d)单分散纳米粒子填料显微图片；(e)基于原子力显微镜的界面相观测图(d-e中的比例尺为200 nm)。
作者基于双电层理论和Maxwell-Wagner- Sillars 极化理论讨论了铁电复合材料中界面极化的形成过程。同时，基于两步旋涂的方法构筑了具有暴露界面的纳米粒子单分散超薄复合膜，并利用原子力显微镜直接观测并分辨出复合相中的界面相。
图2.界面电荷行为的微观表征 (a) 原子力显微镜测试示意图；(b-c) 单分散纳米粒子薄膜的形貌图及电势图(比例尺为200 nm)；(d)不同探针偏压下界面相与基体相的电势差；(e) 界面处的电荷分布及极化形成示意图。
进一步，利用开尔文探针力显微镜在微观尺度上研究了界面处的电势分布，发现界面处由于界面极化的形成产生了更高的电势。此外，作者探究了不同偏压下界面与基体相的电势差，电势差基本不依赖于偏压。因此，表明界面极化主要来源于填料相与基体相介电常数和电导的差异。
图3.复合材料中界面处偶极及载流子行为 (a) 铁电复合材料中吸收电流示意图；(b, c) P(VDF-TrFE)及BTO/P(VDF-TrFE)不同温度下的吸收电流测试结果；(d) P(VDF-TrFE)及BTO/P(VDF-TrFE)不同频率下的介电常数及介电损耗谱，右侧插图为高频下的响应谱示意图；(e)基体相及复合材料的极化强度谱。
通过对复合材料中的偶极及载流子行为进行分析，可以发现，相比于纯基体相，复合相中界面偶极表现出明显的吸收电流贡献，侧面验证了界面极化的存在。同时，基于对介电谱和铁电谱的分析，低频下显著增强的极化也来源于界面相的贡献。
图4.界面极化设计增强压电性 (a)复合材料中界面相结构参数示意图；(b) 不同介电常数复合材料中的电场分布示意图；(c)界面处的电场及极化强度随填料介电常数变化模拟结果；(d) 考虑和不考虑界面贡献下的压电电势响应模拟结果；(e)不同复合体系的准静态压电系数，阴影区域代表置信度为95%的置信区间；(f)复合材料中压电性能的调控因素。
在实验基础上进一步结合理论模拟可以发现，随着填料与基体相介电失配的扩大，表现出明显的电场集中与极化增强效应，且界面对压电性具有显著贡献。在压电型及非压电型填料体系中均具可得出相似的结果，验证了此结论的可靠性与普适性。最后，作者指出了复合材料中压电性能的调控因素，为高性能铁电复合材料的设计提供了可行方向。
团队主页: https://faculty.swjtu.edu.cn/yangweiqing/zh_CN/index.htm
原文链接https://doi.org/10.1002/smll.202207947
