通过添加SrTiO3纳米颗粒改性聚乙烯氧化物-海藻酸钠（PEO-Sodium Alginate），提升其光学性能、交流导电性及介电特性，以应用于光电技术和储能领域

《Micro and Nanostructures》：Boosting the Optical, AC conductivity and dielectric properties of Polyethylene Oxide?Sodium Alginate modified with SrTiO3 Nanoparticles for optoelectronics and energy storage applications

PEO-SA复合薄膜中掺入SrTiO3纳米粒子可优化结构、光学及介电性能，带隙从5.00 eV降至4.02 eV，介电常数增至1825.49，电导率提升，适用于柔性超级电容器和光电子器件。

　　

S.T. Hameed | R. Hamood | A.S. AlShammari | Talal F. Qahtan

也门塔伊兹大学教育学院物理系

摘要

本研究探讨了SrTiO₃纳米颗粒对聚乙烯氧化物（PEO）-海藻酸钠（SA）混合薄膜的结构、光学、电学和介电性能的影响。将浓度范围为0.0%至3.2%（重量比）的SrTiO₃纳米颗粒掺入1:1（重量比）的PEO–SA混合物中。通过X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）进行的结构分析证实，纳米颗粒导致了明显的改性，包括非晶相含量的增加。这些结构变化伴随着介电常数、交流电导率和光学响应的显著提升，以及较低的介电损耗。值得注意的是，当SrTiO₃的掺量增加到3.2%时，光学带隙（Eg）从5.00 eV降低到4.02 eV，介电常数（ε'）从111.79增加到1825.49，松弛时间（τ）从6.22 μs缩短到0.76 μs。这些改进表明，PEO/SA–SrTiO₃纳米复合材料在先进固态超级电容器和柔性光电设备方面具有潜力。

引言

通过聚合物共混可以不断改进聚合物基体的性能，因为这样可以创造出具有多种化学、物理、机械和热性能的产品，而这些性能是单一聚合物材料无法实现的。为此，通常将半结晶聚合物与无定形聚合物混合；同时，由于纳米颗粒与相关官能团的相互作用，也可以进一步改善聚合物混合物的性能。当目标是提高介电稳定性时，这种方法特别有利——尽管大多数聚合物具有较高的介电击穿抗性，但其介电稳定性较低。为了调整介电性能（如介电常数、介电损耗和频率响应），已将各种功能填料（包括金属氧化物）和核壳结构引入聚合物基体中。例如，先前的研究表明，氧化石墨烯（GO）-聚乙烯吡咯烷酮（PVP）[8]和还原氧化石墨烯（rGO）-聚（乙烯醇）（PVA）[9]纳米复合材料在介电和交流电导率方面表现出显著提升。另一方面，钙钛矿具有高介电稳定性和低能量带隙[3, 4, 11]，因此将其纳米颗粒引入聚合物基体中有潜力显著改善电学、绝缘、光学和热性能。这些聚合物纳米复合材料可用于开发价格合理、柔性和紧凑的光电设备，具有出色的放电能量密度。因此，人们进行了大量研究，探索不同聚合物/钙钛矿组合在技术应用上的潜力。

海藻酸钠（SA）和聚乙烯氧化物（PEO）是之前研究过的材料，因为SA的羟基和PEO的醚基使这两种材料高度兼容[12, 13]。此外，由于PEO增强了混合物的机械性能，而SA增加了其非晶性，因此所得基体的电导率可以得到显著提高[14]。鉴于这些聚合物具有水溶性、易获得、无毒且相对便宜的特点，它们的应用范围可以从食品包装延伸到医药领域[15, 16]。Caykara等人[17]的研究表明，含有不同比例SA和PEO的聚合物混合物表现出比单独组分更好的机械性能。Farea等人[16]评估了PEO/SA纳米复合薄膜，并发现将Au纳米颗粒（NP）的掺量从0%增加到0.32%可以改善其光学和介电性能。同样，Abdallah及其同事报告称，通过添加Li₄Ti₅O₁2纳米颗粒，可以增强CMC/SA纳米复合薄膜的光学带隙、热稳定性和介电常数[18]。

尽管关于SrTiO₃作为掺杂剂的研究目前还有限，但这种众所周知的钙钛矿晶体具有出色的光化学特性、高催化活性和生物相容性，因此可以用于多种用途。更重要的是，SrTiO₃纳米颗粒具有3.20 eV的带隙、高介电常数、热稳定性、击穿电压以及显著的非线性光学系数和光催化特性及热稳定性[19, 20, 21, 22]，因此有潜力提升需要高放电密度和灵活性的各种紧凑型光电设备的性能。鉴于现有文献中的这一空白，本研究将PEO和SA按50:50的重量比混合，然后加入SrTiO₃纳米颗粒，制备了不同掺杂浓度（0.0%、0.2%、0.4%、0.8%、1.6%和3.2%）的PEO/SA-SrTiO₃纳米复合薄膜，并对其松弛时间、直流电导率和介电特性进行了全面研究。

材料

用于制备研究样品的PEO（分子量Mw = 250 × 10³）购自美国ACROS Organics公司，SA（分子量Mw = 350,000 g/mol）从开罗NRC获得，作为溶剂的蒸馏水（DDW）购自埃及Al-Gomhoria公司，而本研究中使用的SrTiO₃纳米颗粒则是按照我们之前的方法[4]制备的。

PEO/SA-SrTiO₃纳米复合薄膜的制备

为了制备含有不同掺杂量（0.0%、0.2%、0.4%、0.8%、1.6%和3.2%）的聚合物纳米复合薄膜，首先...

红外分析

图1展示了原始PEO/SA基体和标记为PEO/SA-SrTiO₃纳米复合薄膜的FTIR光谱。表1提供了表征原始PEO/SA基体的特征吸收带的分配信息[13, 14, 23]。相比之下，PEO/SA-SrTiO₃光谱显示了纳米填料对PEO/SA基体的显著影响，这归因于SrTiO₃纳米颗粒与相关官能团的相互作用和/或络合作用[24]。

结论

本研究成功制备了不同掺杂量SrTiO₃纳米颗粒的PEO/SA聚合物薄膜，并系统地评估了它们的光学、电学和介电性能。SrTiO₃纳米颗粒的掺入显著改变了聚合物基体的结构和光学特性，由于强烈的聚合物-纳米颗粒界面相互作用，导致光学带隙显著减小和光吸收增强。

CRediT作者贡献声明

Talal F. Qahtan：撰写、审稿与编辑、数据可视化、监督、实验研究。 A.S. AlShammari：撰写初稿、数据验证、软件使用、实验研究、数据整理。 R. Hamood：撰写初稿、数据验证、实验研究、数据分析。 S. Hameed：撰写、审稿与编辑、数据可视化、监督、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。