Спирт проводник или диэлектрик: «Что будет, если плеснуть ведро спирта в компьютер?» – Яндекс.Кью

Диэлектрики: полярные, неполярные, кристаллические; проводники. Поведение вещества(заряда) во внешнем элекрическом поле

Тестирование онлайн

• Проводники, диэлектрики. Основные понятия

• Диэлектрики, сферический проводник

Диэлектрики

Это такие вещества, в которых нет свободных зарядов. Заряженные частицы не могут двигаться по всему объему тела. Они способны только смещаться на небольшие расстояния относительно своих равновесных состояний. Не проводят электрический ток.

Диэлектрики бывают: полярными, неполярными, кристаллическими.

У полярных диэлектриков молекула такая, что ее ядро и электроны находятся друг от друга на некотором расстоянии, то есть сдвинуты положительный и отрицательный центры. Поэтому молекулу называют электрическим диполем. К полярным диэлектрикам относятся дистиллированная вода, спирт.

У неполярных диэлектриков молекула симметричная. Вещества: парафин, бензол, азот и др.

Диполь отсутствует.

К кристаллическим диэлектрикам относятся такие вещества, у которых кристаллическую решетку можно рассматривать как две подрешетки — с положительными и отрицательными ионами.

Проводники

Это вещества, в которых есть свободные заряженные частицы (электроны, положительные ионы и отрицательные ионы), способные перемещаться по всему объему вещества. Это металлы, растворы солей, кислот и щелочей и др. Эти вещества проводят электрический ток.

Вещества в электрическом поле

При помещении в электростатическое поле полярного диэлектрика, диполи переориентировываются таким образом, что вектор напряженности E’ внутреннего поля направлен в противоположную сторону относительно вектора напряженности внешнего поля E₀.

Поляризация приводит к ослаблению внешнего электрического поля в раз, где — диэлектрическая проницаемость

Аналогичным образом ведут себя кристаллические диэлектрики.

При помещении во внешнее поле неполярного диэлектрика у нейтральных молекул деформируются электронные облака, происходит электронная поляризация.

При помещении проводника все свободные заряды одного знака устремляются в одну сторону, заряды противоположного знака в противоположную сторону, это явление называется электростатической индукцией. Внутреннее поле, которое при этом образуется внутри проводника «гасит» внешнее поле.

Так как свободные заряды концентрируются по краям, а не во всем объеме вещества, как у диэлектриков, то внутри проводника отсутствует электростатическое поле. Напряженность внутри проводника равна нулю. Использование этого свойства называется электростатической защитой. Помещенные внутрь проводника тела не будут испытывать действие внешнего электростатического поля, проводник как бы ограждает.

Проводящая сфера

Рассмотрим проводник сферической формы.

Заряды на поверхности распределяются так, что их плотность больше в точках поверхности, обладающей большей кривизной. По поверхности сферы заряд распределяется равномерно.

А что произойдет, если внутрь сферической оболочки поместить заряд? Индукционные заряды возникнут на ее внутренней поверхности. В этом случае внутри сферы поле будет.

Для равномерно заряженной сферой радиусом R и зарядом q на расстоянии r от центра сферы, справедливы формулы:

Заземление

Благодаря своим огромным размерам Земля действует как резервуар зарядов, принимая и отдавая электроны. Когда мы поднесем к заземленному металлическому предмету отрицательно заряженный стержень, свободные электроны в металле будут отталкиваться и уходить в Землю. Если отсоединить стержень от этого предмета, на металле останется избыточный положительный заряд. Так мы зарядим тело положительным зарядом.

Различные стадии зарядки тела: а) приближая к шарику электроскопа отрицательно заряженный сургуч, мы вызываем на стержне электроскопа положительный заряд, а на его листках — отрицательный заряд; б) не убирая сургуча с отрицательным зарядом, прикасаемся рукой к шарику электроскопа и отводим часть отрицательного заряда электроскопа через свое тело в землю; листки электроскопа спадают; в) убрав палец, а затем убрав сургуч, мы оставляем на электроскопе только положительный заряд, который распределяется между шариком и листками электроскопа.

Упражнения

К металлическому шару, установленному на электроскопе, одновременно прикасаются наэлектризованной эбонитовой палочкой и рукой. Затем отнимают сначала руку, а потом палочку. Какого знака заряд получит электроскоп?

В результате контакта эбонитовой палочки с шаром электроскоп получит небольшой отрицательный заряд, который через руку уйдет в землю. Так как эбонит – диэлектрик, то на остальных участках палочки, которые не контактировали с шаром, отрицательные заряды останутся неподвижными. Они зарядят электроскоп положительным зарядом.

Как известно, заряженный шарик притягивает бумажку. Как изменится сила притяжения, если окружить металлической сферой заряженный шарик? бумажку?

Если окружить шарик концентрической металлической сферой, ничего не изменится: и шарик и металлическая сфера действуют как заряд, сосредоточенный в точке, находящейся в центре шарика. Если окружить сферой бумажку, сила притяжения обратится в ноль: бумажка попадает в «цилиндр Фарадея», зато теперь металлическая сфера и шарик будут притягиваться друг к другу.

Внутрь полой сферы проводящей незаряженной сферы был помещен шарик с зарядом q, после чего сфера была на короткое время соединена с землей, и затем шарик удален из сферы. Какой заряд будет иметь сфера после этих операций? Где и как будет распределен этот заряд? Где и какое будет существовать электрическое поле?

Заряд q. Он будет распределен равномерно по внешней поверхности сферы. Внутри сферы напряженность поля будет равна нулю. Вне сферы будет существовать электрическое поле, подобное полю точечного заряда q, помещенного в центр сферы.

Имеется полая проводящая незаряженная сфера, внутрь которой помещен положительный заряженный шарик. Укажите: а) Где будет существовать электрическое поле? б) Будут ли появляться заряды на сфере? в) Будет ли меняться поле внутри и вне сферы, если перемещать шарик, если шарик оставить неподвижным, а снаружи к сфере поднести заряженное тело?

а) Поле будет существовать внутри и вне сферы; б) на внутренней поверхности появится отрицательный заряд, на внешней — положительный; в) в первом случае будет изменяться электрическое поле только внутри сферы, во втором — только вне сферы.

Урок по физике в 10-м классе по теме «Диэлектрики и проводники в электрическом поле»

Цели:

• Образовательная: формирование представления о проводниках и диэлектриках; обеспечение в ходе урока понимания учащимися отличия проводников от диэлектриков с точки зрения электронной теории; создать условия для формирования понятие о диэлектриках и их физической природе с точки зрения электронной теории.
• Развивающая: способствовать развитию познавательной активности, образного мышления; способствовать дальнейшему развитию умений выделять главное, сравнивать, анализировать, делать выводы.
• Воспитательная: воспитание чувства ответственности и готовности к сотрудничеству; приобретение навыков общения и самоорганизации; способствовать формированию научного мировоззрения..

Оборудование: персональный компьютер, мультимедийный проектор, экран, электрометр с набором тел, гильза на штативе, пластина из оргстекла, лист пластика.

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, практический.

Учебник: Физика 10 класса, В.А. Касьянов, М., ДРОФА, 2005 г.

План урока

ХОД УРОКА

Организационный момент:

На предыдущих уроках по теме “электростатика” мы увидели много опытов, демонстрирующих электрические взаимодействия. Эти и другие не менее интересные опыты и явления можно осознать и объяснить после изучения темы урока.

Объявление темы урока: (приложение 1, слайд №1)

Ребята, запишите в тетради тему урока: “Диэлектрики и проводники в электростатическом поле”. На этом уроке мы рассмотрим поведение в электростатическом поле веществ, которые не могут проводить электрический ток (диэлектриков), и тех веществ, которые его проводят (проводники) (приложение 1, слайд №2).

Вашему вниманию предлагается лекционная подача материала, в тетради необходимо сделать краткие записи, которые помогут в подготовке по теме.

1. Учащимся предлагается план лекции (приложение 1, слайд № 3).
2. Проводники и диэлектрики.

Учитель: Давайте разберемся, почему диэлектрики не проводят электрический ток.

Диэлектрики — это вещества, не содержащие свободных заряженных частиц, т.е. таких заряженных частиц, которые способны свободно перемещаться по всему объему тела. Поэтому диэлектрики не могут проводить электрический ток.

Диэлектрики иначе называются изоляторами, назовите примеры твердых тел, являющихся диэлектриками (изоляторами).

Ученики: Диэлектриками являются многие твердые тела (фарфор, янтарь, эбонит, стекло, кварц, мрамор и др.), некоторые жидкости (например, дистиллированная вода) и все газы.

Учитель: По внутреннему строению диэлектрики разделяются на полярные и неполярные (приложение 1, слайд № 4).

В полярных диэлектриках молекулы являются диполями, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К таким диэлектрикам относятся спирт, вода, аммиак и др. (приложение 1, слайд № 5).

Рассмотрим поведение типичного полярного диэлектрика в электрическом поле (слайд №6). Сообщаем, что в отличие от проводников в диэлектриках нет свободных зарядов, которые могли бы под действием поля перемещаться по всему объему. Все электрические заряды диэлектрика связаны с молекулами и атомами вещества. Под действием электрического поля эти заряды могут смещаться только в пределах микроскопических объемов. Процесс смещения этих зарядов называют, поляризацией диэлектриков.

Неполярные диэлектрики состоят из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают. К таким веществам относятся инертные газы, водород, кислород, полиэтилен и др. (приложение 1, слайд № 7, 8).

Если диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то происходит поляризация диэлектрика. При этом процессе молекулы диэлектрика ориентируются по внешнему электрическому полю. На противоположных поверхностях диполя появляются связанные заряды. Это приводит к тому, что в диэлектриках возникает свое электрическое поле, направленное против внешнего, и в сумме поле внутри диэлектрика будет меньше внешнего. Диэлектрическая проницаемость, о которой мы говорили раньше, характеризует способность диэлектрика к ослаблению внешнего поля (приложение 1, слайд № 9, 10).

Внесём полярный диэлектрик в электростатическое поле и посмотрим, что при этом произойдёт. В полярных диэлектриках поляризация происходит в результате переориентации диполей. Когда нет внешнего поля, диполи сориентированы хаотично и суммарное поле внутри вещества равно нулю. Во внешнем поле под действием кулоновских сил происходит поворот диполей. Воздействие внешнего электрического поля испытывают все молекулы диэлектрика. Это приводит к тому, что в диэлектрике возникает собственное электрическое поле. Электрическое поле внутри диэлектриков будет ослаблено по сравнению с внешним полем Е. Наряду с ориентирующим действием кулоновских сил, дипольные молекулы находятся под влиянием теплового движения. Тепловое движение стремится нарушить ориентацию диполей (приложение 1, слайд № 11, 12).

Когда неполярный диэлектрик помещают во внешнее электрическое поле, происходит перераспределение зарядов внутри молекул таким образом, что в целом в диэлектрике появляется собственное поле. В отличие от полярных диэлектриков, здесь нет влияния теплового движения на процесс поляризации (приложение 1, слайд № 13, 14).

Убедимся в этом на опыте. Возьмём электрометр с металлическим диском и зарядим его положительно. Поднесём к диску лист пластика, стрелка электрометра приблизилась к стержню. Значит, диэлектрик ослабляет поле диска.

Для того чтобы описать, как сильно ослабляет диэлектрик электрическое поле, вводят величину, которую называют диэлектрической проницаемостью.

Если обозначить Ео — напряжённость электрического поля в вакууме;

Е — напряжённость электрического поля в диэлектрике;

e-диэлектрическая проницаемость среды, то получим формулу (приложение 1, слайд № 15):

Главное отличие проводников от диэлектриков — наличие свободных зарядов, которые могут перемещаться под действием кулоновских сил. Это свойство проводников позволяет объяснить их поведение в электрическом поле (приложение 1, слайд № 16, 17).

Если проводник заряжен, то есть на нем находится избыточный заряд какого-либо знака, то из-за того, что одноименные заряды отталкиваются, они будут стремиться занять как можно больший объем и окажутся все на поверхности проводника. Наличие поля внутри привело бы к непрерывному движению зарядов до тех пор, пока поле не исчезло бы. Таким образом, внутри заряженного проводника электростатическое поле отсутствует. Потенциал внутри проводника постоянен (приложение 1, слайд № 18).

Проведём опыт. Поднесём незаряженную гильзу к заряженной стеклянной пластине. Гильза притянется к пластине. А ведь в электрические взаимодействия вступают только заряженные тела! Посмотрим, как такое возможно. Когда мы подносим гильзу к заряженной пластине, то под действием её электрического поля свободные электроны металлической гильзы приходят в направленное движение и собираются на левой стороне гильзы. Поэтому гильза притягивается к пластине (приложение 1, слайд № 19).

Правая сторона гильзы, с которой “сбежали” электроны, заряжается положительно. Поэтому внутри гильзы возникает своё электрическое поле, направленное против внешнего поля. И как только внутреннее поле станет равным внешнему полю, движение электронов прекратится. Внутри заряженного проводника поле становится равным нулю (приложение 1, слайд № 20).

Если проводник поместить во внешнее электрическое поле, то начнется перемещение свободных зарядов таким образом, что положительные заряды скапливаются на одной стороне, а отрицательные — на противоположной. Перераспределение зарядов будет происходить до тех пор, пока поле, созданное этими зарядами, не скомпенсирует внешнее поле. Если в этот момент разделить проводник плоскостью, перпендикулярной внешнему полю, то разделенные части проводника окажутся заряженными разноименно.

В разделении зарядов и заключается явление электростатической индукции. Благодаря этому явлению осуществляется электростатическая защита. Если какой-либо прибор необходимо защитить от внешних электрических полей, то его помещают в проводящую оболочку (приложение 1, слайд № 21, 22).

Этот вывод наглядно продемонстрировал английский физик Майкл Фарадей. Он провёл следующий опыт. Оклеил большую деревянную клетку листами станиоля (оловянной бумагой) и изолировал её от Земли. При помощи электрической машины Фарадей очень сильно зарядил клетку, а сам поместился в неё с чувствительным электроскопом. При этом электроскоп не показывал никакого отклонения.

Можно провести подобный опыт. (Демонстрируется опыт)

Возьмём электрометр, на стержне которого укреплена малая сфера, и поднесём к нему положительно заряженную стеклянную пластину. Под действием поля пластины стрелка электрометра отклонится от стержня. Накроем теперь сферу калориметром и так же поднесём заряженную пластину. Стрелка отклоняться не будет. Калориметр оказывает экранирующее действие. Внутри него электрического поля нет.

Если напряженность электрического поля будет направлена под углом к поверхности проводника, то под действием составляющей этого поля, параллельной поверхности, заряды двигались бы непрерывно, что противоречит закону сохранения энергии. Отсюда следует вывод — напряженность электростатического поля перпендикулярна поверхности проводника. Также известно, что эквипотенциальные поверхности перпендикулярны силовым линиям, поэтому поверхность проводника является эквипотенциальной (приложение 1, слайд № 23).

Сегодня на уроке мы разобрали поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле. Сделаем выводы: (приложение 1, слайд № 24, 25).

• Диэлектрики — это вещества, не содержащие свободных заряженных частиц.
• В полярных диэлектриках молекулы являются диполями, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.
• Неполярные диэлектрики состоят из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.
• При поляризации молекулы диэлектрика ориентируются по внешнему электрическому полю.
• Диэлектрическая проницаемость характеризует способность диэлектрика к ослаблению внешнего поля.
• Тепловое движение влияет на поляризацию полярных диэлектриков.
• Главное отличие проводников от диэлектриков — наличие свободных зарядов, которые могут перемещаться под действием кулоновских сил.
• Внутри заряженного проводника электростатическое поле отсутствует.
• Потенциал внутри проводника постоянен.
• Напряженность электростатического поля перпендикулярна поверхности проводника. Поверхность проводника является эквипотенциальной

Самопроверка Выполнение тестового задания (на карточках).

1. Какое из перечисленных веществ лишнее?
1. Железо
2. Резина
3. Дерево
4. Шёлк

2. Диэлектрик поместили в электростатическое поле, а затем разрезали на две части. Полученные половинки оказались…
1. Разноименно заряженными
2. Одноименно заряженными
3. Нейтральными
4. Однозначно ответить нельзя

3. Какое явление называется поляризацией диэлектрика?
1. Разделение разноименных зарядов в электрическом поле
2. Процесс передачи диэлектрику заряда
3. Смещение относительно друг друга связанных зарядов в молекуле под действием электрического поля
4. Распад молекул на ионы
4. Напряженность электростатического поля в вакууме 20 кН/Кл. Какова напряженность этого поля в керосине, если его диэлектрическая проницаемость равна 2?
1. 1000 Н/Кл
2. 10000 Н/Кл
3. 20000 Н/Кл
4. 40000 Н/Кл

5. На рисунке изображены различные вещества, внесенные в однородное электрическое поле. Стрелками показано направление линий напряженности внешнего поля. Укажите диэлектрик.
1. Только 1
2. Только 2
3. 1 и 2
4. Нет верного ответа

Домашнее задание: §§ 85–87 по учебнику В.А.Касьянова-10; конспект лекции.

Заполнить таблицу (пропущенные клетки)

Ой! Эта страница не существует или скрыта от публичного просмотра.

Зарегистрироваться

Войти

Войти

Популярные

батискаф в домашних условияхАкустика

«Odessa46» пре-релиз! (маленький стример с большим сердцем… подрос)МАРКЕТ

Полочная акустика в ассортименте.Акустика

iFi Zen Stream — теснота на рынке бюджетных стримеровЦифровые источники

ЦАП Muse 296 DAC — будь как @Paul — ЗАПИСЬ В ТУРСтерео-ТУР

Продам в Химках Spendor Classic 2/3Акустика

Фондовый рынок — акции, валюта, нефть, золото и прочие способы спустить деньгиОффтопик

Очень Много всего.Продажа систем целиком

интересные ретро магнитолы и музыкальные центрыКлубы по интересам

Мой лучший Баргин «bargain» в системе. Личные истории.Покупаем стерео

Ещё…

Недавние

Kef q300, 350 спросАкустика

Куплю пару 12ВН7А, 6414Лампы, стойки, питание и прочее

Rega p3 AN тоже здесьАналоговые источники

Audio-GD R27 (2020) Full upgrade versionЦифровые источники

продам пассивные регуляторы громкости на трансформаторахЛампы, стойки, питание и прочее

Sim Audio Moon 180 Mind — продамЦифровые источники

Продам Rega Elicit-RУсилители

Куплю акустический кабельКабели

Продам Densen Beat B-100Усилители

Продам Snorry SI-2 mk2 CarbonПерсональное аудио

Ещё…

Искать на этом сайте

Поиск

Электричество и магнетизм

Если, к примеру, в однородное электрическое поле (как в идеальном  плоском конденсаторе) поместить плоскопараллельную диэлектрическую пластину так, что её поверхности составят некоторый угол  с направлением поля и, тем самым, они не будут совпадать с его эквипотенциальными поверхностями, то величина поля внутри этой пластины будет довольно сложным образом зависеть от угла , и будет равна  только при . Не следует также думать, что внесение в поле диэлектрика всегда приводит к уменьшению напряженности поля, она может и возрасти: всё зависит от «геометрии» задачи. Ниже на рисунке 3.4 показано, что при помещении в электрическое поле тонкого длинного диэлектрического стержня параллельно силовым линиям внешнего поля, напряженность поля вне стержня у его концов увеличивается в результате появления на концах стержня «поляризационных» зарядов.

Рис. 3.4. Напряженность поля на оси тонкого диэлектрического стержня 

Уменьшение разности потенциалов между обкладками и увеличение емкости конденсатора мы наблюдали в решенной выше задаче о сферическом конденсаторе с металлической оболочкой между обкладками. Там причина уменьшения разности потенциалов была ясна: на оболочке наводились индуцированные заряды, которые компенсировали внешнее поле от обкладок. Соответственно, электрическое поле существовало только в пространстве, не занятом оболочкой. Если бы оболочка заняла весь объем конденсатора, разность потенциалов между обкладками и поле внутри него стали бы равными нулю. 

В диэлектрике нет зарядов, способных перемещаться по всему его объёму, но идея возникновения на его поверхности каких-то дополнительных зарядов (их называют в этом случае поляризационными или связанными) кажется привлекательной из-за возможности объяснить экспериментальные факты. Поэтому мы принимаем макроскопическую модель, которая, разумеется, должна быть обоснована впоследствии на микроскопическом уровне и проверена на практике вместе со всеми ее следствиями. Мы предположим, что при помещении диэлектрика в электрическое поле на его поверхности возникают поляризационные заряды с плотностью  (рис. 3.5). 

Рис. 3.5. Сферическая частица в однородном электрическом поле напряжённостью Е.

Знаками «+» и «–» показаны связанные заряды, возникшие на поверхности частицы при её поляризации.

Электрические силы, действующие на положительные (F₊) и отрицательные (F_–) связанные заряды, одинаковы 

 Поляризационные заряды создают дополнительное электрическое поле , направленное противоположно полю от зарядов на обкладках (см. рис. 3.3). Это и объясняет меньшую величину результирующего поля Е по сравнению с полем E₀. Действительно, для простейшей геометрии плоского конденсатора (см. выше замечание о форме поверхности диэлектрика) изменение поля в диэлектрике сводится только к изменению величины его напряженности в  раз

Отсюда мы находим, какая часть результирующего поля создается поляризационными зарядами, а какая — зарядами на обкладках

Отрицательный знак указывает на противоположное направление поля поляризационных зарядов. Зная связь поверхностной плотности зарядов с напряженностью создаваемого ими поля

Находим  плотность поляризационных зарядов

 Заметим, что случаю проводника соответствует предел

Действительно, тогда  , а поле внутри материала полностью компенсируется, получаем

откуда

Значения e для некоторых диэлектриков приведены в таблице (для газов — при нормальных условиях). 

Таблица

Значения диэлектрической проницаемости для некоторых веществ

Обратите внимание: одни и те же вещества при разных условиях имеют различные диэлектрические свойства. Значит, для их объяснения необходимо построить теорию на микроскопическом уровне, исходящую из свойств атомов и молекул и учитывающую состояние вещества. 

Дополнительная информация 

http://chemister.da.ru/Chemie/Tables/dielectric.htm — диэлектрические проницаемости некоторых веществ;

http://www.radioland.net.ua/contentid-381-page1.html — основные типы диэлектриков, применяемые в конденсаторах;

http://ufn.ru/ufn67/ufn67_11/Russian/r6711n.pdf — статья «Вещества с высокой и сверхвысокой диэлектрической проницаемостью»;

http://www.chipdip.ru/video.aspx?vid=ID000292886&tag=dielectric — видео «Пироэлектрики»;

http://gos-rz.narod.ru/2/20.htm — сегнетоэлектрики, их применение;

http://www.rci.rutgers.edu/~ecerg/projects/ferroelectric.html  — керамические сегнетоэлектрики;

http://www.chipdip.ru/video.aspx?vid=ID000292814&tag=dielectric  — видео «Сегнетокерамика».

Бабин Пётр Алексеевич — Тихоокеанский государственный университет

ДИЭЛЕКТРИКИ. Фарадей. Электромагнитная индукция [Наука высокого напряжения]

ДИЭЛЕКТРИКИ

В 11-м выпуске серии «Экспериментальные исследования по электричеству» (1855, Experimental Researches in Electricity) Фарадей предлагает в качестве первого принципа науки об электричестве индукцию как свойство вызывать противоположное состояние, а также дает новое определение термину заряд — состояние напряженности, поддерживаемое материей. Кроме того, ученый высказывает мысль о том, что существуют тела, проводящие электричество, а также тела, с той же эффективностью не проводящие его.

Первый класс тел был назван проводниками, второй, по совету коллеги Уэвелла, получил название диэлектриков. Другими словами, по отношению к своему поведению под воздействием электрического поля материальные тела классифицируются на проводники и диэлектрики, при этом не существует постоянной градации, которая исключала бы отнесение тела к одной из категорий, то есть тело может классифицироваться как проводник или диэлектрик в зависимости от ситуации.

Важно различать изоляторы и диэлектрики. Все тела-диэлектрики являются изоляторами, поскольку плохо проводят электричество, но не все изоляторы являются диэлектриками. Чтобы стать диэлектриком, материал при воздействии электрического поля должен быть способен сохранять внутреннее электрическое поле. Диэлектрик может превратиться в проводник, если мы настолько увеличим внешнее поле, что оно превзойдет максимальное напряжение диэлектрика, называемое электрической прочностью.

Фарадей начал измерять диэлектрические константы разных изоляторов и назвал отношение между зарядом и напряжением диэлектриков специфической индуктивной способностью.

* * *

Диэлектрические константы

Чем больше величина диэлектрического коэффициента, или диэлектрической константы, обозначаемой как К, тем выше уровень электропроводимости материала. Например, константа воздуха — 1,00054, вакуума — 1,0. Другие значения К для разных материалов следующие.

— Стекло: 5–10.

— Нейлон: 3,5.

— Полиэтилен: 2,3.

— Хлорид натрия: 6,1.

— Дерево: 2,5–8,0.

— Этиловый спирт (0?C): 28,4.

— Дистиллированная вода (20?C): 80,1.

Если электрическое поле диэлектрика становится очень интенсивным, электроны покидают молекулы и материал превращается в проводник. Максимальное электрическое поле, которое диэлектрик может выдержать до момента разрушения, называется электрической прочностью.

Вот некоторые примеры диэлектрических материалов: стекло, резина, воск, бумага, сухое дерево или фарфор.

Всё о канифоле

Канифо́ль — колофонская смола — хрупкое, стекловидное, аморфное вещество, с характерным раковинообразным изломом и стеклянным блеском от тёмно-красного до светло-жёлтого цвета.

Каждый, кто во времена Советского Союза имел дело с паяльником, знает о канифоли не понаслышке. Однако сегодня, когда всюду используются паяльные флюсы, канифоль для пайки применяют все реже. А ведь канифоль используется не только для пайки. Давайте же вспомним о том, что вообще такое канифоль, откуда она берется и где еще применяется.

Канифоль или колофонская смола получила свое название от имени древнегреческого города Колофон, где особая сосновая смола высоко ценилась в свое время музыкантами.

Сама канифоль представляет собой достаточно хрупкое аморфное вещество стекловидной структуры, имеющее характерный стеклянный блеск. Цвет канифоли может быть от светло-желтого до темно красного. В качестве составного компонента она содержится в смолах хвойных деревьев и состоит главным образом из карбоновых кислот фенантренового ряда и их изомеров.

Сырьем для производства канифоли изначально служила живица — смолянистое вещество, выделяемое хвойными деревьями при их механическом повреждении. Из живицы выпаривали скипидар и другие летучие вещества, которых в сырой смоле 25%.

При промышленном производстве канифоль получают как экстракт измельченной хвойной древесины с применением органического растворителя либо путем перегонки сырого таллового масла, являющегося отходом циллюлозно-бумажного производства. Таким образом, в зависимости от способа получения, канифоль бывает сосновой, талловой и т. д.

Канифоль нерастворима в воде, однако легко растворима в органических растворителях, таких как этиловый спирт, эфир, ацетон, хлороформ и бензол. Температура плавления канифоли зависит от способа ее получения, и лежит в диапазоне от 50 до 130 °C. В составе канифоли всегда преобладают карбоновые (смоляные) кислоты, главная из которых — абиетиновая, входящая и в состав янтаря.

Канифоль как паяльный флюс

По сей день достаточно широко канифоль используется в качестве паяльного флюса (для удаления тонких пленок окислов с поверхностей спаиваемых металлов) при пайке легкоплавкими припоями и лужении.

Благодаря использованию канифоли при пайке, смачиваемость припоем монтируемых на плату компонентов улучшается. При пайке деталей из меди, медных сплавов, стали, цинка и других цветных металлов кроме алюминия, канифоль пользуется заслуженной популярности в силу эффективности.

В расплавленном состоянии канифоль легко растворяет оксидные пленки: окисленные металлы по сути частично восстанавливаются до металлов, а частично — превращаются в легкоплавкие соли.

При этом канифоль неустойчива к воздействию влаги. Под действием атмосферной влаги она гидролизуется, усиливает коррозию соединений с которыми находится в контакте. Поэтому после пайки канифоль следует смывать (например спиртом или ацетоном). В качестве диэлектрика канифоль используется разве что в очень герметичных устройствах.

Для пайки лучше всего подходит слабый раствор канифоли в изопропиловом или этиловом спирте с добавлением глицерина. Такой раствор весьма эффективен, хоть и имеет лишь слегка желтоватый цвет. Если же он будет слишком концентрированным, то есть если канифоли в растворе окажется слишком много, то смыть ее с платы будет тяжело, да и жало паяльника загрязнится сильнее.

Кстати, для пайки сильно загрязненных или сильно окисленных поверхностей канифольно-спиртово-глицериновые флюсы малоэффективны. В таких случаях рекомендуется применять неорганические, например, кислотные флюсы. Кроме того, глицерин, ввиду гигроскопичности, способствует коррозии проводников и электрическим утечкам по поверхности диэлектрика платы, поэтому остатки флюса с глицерином всегда следует удалять сразу после пайки и особенно тщательно.

Хранение растворов канифоли требует особого подхода чтобы не допустить выпадения кристаллов смоляных кислот. Для этого обязательно профильтрованный раствор не следует хранить в железных банках, поскольку ржавчина на их стенках склонна образовывать со смоляными кислотами резинаты железа, способствующие кристаллизации смоляных кислот. А в растворы с уайт-спиритом нужно добавлять хотя бы 4% скипидара.

Другие применения канифоли

Продукты переработки канифоли используются для проклейки картона и бумаги, она служит эмульгатором при получении искусственного каучука, применяется в производстве пластмасс, резин, мыла, линолеума, искусственной кожи, лаков, красок, электроизоляционных компаундов и мастик.

Канифолью натирают смычки музыкальных инструментов, кончик бильярдного кия, а также обувь балерин для уменьшения скольжения. В тяжелой атлетике, в альпинизме, в бейсболе, при занятиях на турнике, — канифоль позволяет четко зафиксировать хват без скольжения, причем мозолей от этого не появится. Именно измельченную канифоль применяют для имитации дыма в кинематографе.

В былые времена, когда не было эффективных натяжителей, канифолью натирали передаточные ремни различных механизмов. Даже сегодня при запуске механизмов с большой инерцией время от времени прибегают к использованию канифоли.

Добавив порошок канифоли в лак на основе твердых смол, можно повысить его текучесть. Чистая же канифоль в основе лака делает его очень мягким и нестойким, белеющим при попадании влаги, легко стираемым. Качественные лаки на основе канифоли получают этерификацией (сплавлением) 6% глицерина с канифолью.

Кстати, один из эфиров канифоли зарегистрирован как пищевая добавка Е915 — пентадиновая смола. Но практически в качестве пищевой добавки Е915 не применяется ни в России, ни в странах Евросоюза.

Ранее ЭлектроВести писали, что 15-летний школьник из Днепра Андрей Горбонос завоевал второе место на Олимпиаде гениев в городе Освего (США) за разработку химического вещества, которое увеличивает емкость аккумуляторов для электромобилей.

По материалам: electrik.info.

Проводит ли алкоголь электричество? — Techiescientist

Алкоголь — очень известный ингредиент, используемый в пиве, спиртных напитках и вине, который употребляют многие из нас. Технически это органическое соединение, которое содержит гидроксильную группу (-ОН), связанную с атомом углерода. Он вызывает опьянение и обладает уникальными свойствами.

Электропроводность — одно из таких свойств, которыми обладают многие химические соединения. Поэтому большинство людей задаются вопросом, проводит ли алкоголь электричество или нет.

В этой статье я подробно отвечу на этот вопрос, а также затрону окружающие темы.

Итак, алкоголь проводит электричество? Нет, спирт не проводит электричество, потому что это ковалентное соединение. Следовательно, у него нет свободных электронов, которые могли бы проходить через него. Являясь стабильным соединением, он не ионизируется в воде, потому что связь внутри молекулы спирта достаточно сильна, чтобы избежать разрыва связей молекулами воды. Итак, алкоголь не проводит электричество.

Обычно спирт — это этанол или этиловый спирт, имеющий химическую формулу C2H5OH. Употребление алкоголя разрешено законом в большинстве стран мира. Употребление алкоголя в меньшем количестве снижает тревожность.

А употребление алкоголя в больших дозах плохо сказывается на здоровье. Это может вызвать потерю сознания, опьянение и даже смерть.

Содержание алкоголя в напитке зависит от того, как долго он находится на ферментации. Процесс брожения обсуждается ниже.

Если говорить о химическом строении молекулы спирта. Его химические формулы записываются как C2H5OH или Ch4Ch3OH. Он содержит одну метильную группу (Ch4), одну метиленовую группу (Ch3) и одну гидроксильную группу (OH).

Молекула спирта состоит из 2 атомов углерода, 6 атомов водорода и 1 атома кислорода. Расчетная молекулярная масса этанола составляет около 46,07 г / моль.

Молекулярная масса C2H5OH = 6 моль атомов водорода (6 × 1,0079 г), 2 моль атомов углерода (2 × 12.011 г) и 1 моль атомов кислорода (1 × 15,9994 г) = 46,07 г / моль.

Почему водный раствор спирта не проводит электричество?

Связь в этаноле бывает двух типов (полярная и неполярная). Одна — это неполярная связь, которая существует между углеродом и атомом водорода (C-H), а другая — полярная связь, которую можно увидеть между атомами углерода и кислорода (C-O) и атомами кислорода и водорода (O-H).

Полярность связи определяется такими факторами, как дипольный момент, электроотрицательность и симметрия.Концепция полярных и неполярных молекул подробно объясняется в других моих статьях.

В молекуле этанола существует ковалентная связь. Между атомами существует прочная ковалентная связь. Сила ковалентной связи в спирте достаточна, чтобы противостоять ионизации в присутствии воды.

Следовательно, спирт не ионизируется в водном растворе. Ковалентная связь внутри молекулы C2H5OH достаточно сильна, чтобы атомы не ионизировались.

Следовательно, этанол не имеет свободных или делокализованных электронов, которые бы протекали через него и проводили электричество.Это одна из основных причин того, что алкоголь не проводит электричество.

Также следует понимать, что если спирт смешивается с раствором электролита, он снижает электрическую проводимость раствора, поскольку снижает относительную диэлектрическую проницаемость добавленного растворителя этанол-вода.

Вода и спирт имеют много общего. У обоих из них есть группа -ОН, присутствующая в их молекулах. Подобно воде, молекулы спирта также образуют водородные связи между собой и с молекулами воды, присутствующими в водном растворе.Следовательно, спирт легко растворяется в воде.

Гидроксильная группа (-ОН) является гидрофильной (водолюбивой) частью, поскольку она образует водородную связь с водой и увеличивает растворимость спирта в воде.

Проводит ли изопропанол электричество?

Изопропаноловый спирт содержит три атома углерода в углеродной цепи, а его химическая формула — C3H7OH. Это легковоспламеняющаяся бесцветная жидкость.

Чистый изопропанол не проводит электричество, потому что он содержит ковалентные связи и не ионизируется, теряя свободные электроны и проводя электричество.Однако раствор 70% спирта в воде может быть электропроводным, как водная часть. Итак, чистый спирт не проводит электричество.

Общий результат состоит в том, что алкоголь сам по себе не проводит электричество, если не присутствуют свободные ионы, проводящие электричество.

Физико-химические свойства спиртов

• Большинство обычных спиртов бесцветны при комнатной температуре.
• Спирты, содержащие от 2 до 3 атомов углерода, такие как этанол, метанол и изопропиловый спирт, придают фруктовый запах и являются текучими жидкостями.
• Чистый этанол полностью огнеопасен.
• Этанол используется в антифризах из-за его низкой температуры плавления -114,5 градусов по Цельсию.
• Температура кипения этанола составляет 78,5 градусов по Цельсию.
• Плотность этанола на 20% меньше плотности воды. Его плотность 789 г / л.
• Алкогольные напитки малоэффективны против спор бактерий, поэтому могут храниться долгое время.
• Этанол — очень слабая кислота, даже слабее воды.
• Спирт — горючее соединение, а углекислый газ и вода — его горючие продукты.
• Спирт, в углеродной цепи которого содержится более 4 атомов углерода, имеет сравнительно вязкую природу.
• И некоторые из спиртов, которые содержат 1 атом углерода в своей цепи, существуют в твердом состоянии при комнатной температуре.
• Технически, алкоголь сам по себе не имеет вкуса, но, поскольку в него добавлены ароматизаторы и он подвергается различным ферментациям, он имеет горький вкус.
• Изопропиловый спирт очень быстро испаряется и не оставляет следов в виде осадка.

Использование спиртов

• Спирт широко используется как хороший растворитель, он растворяет широкий спектр неполярных соединений.
• Спиртовой раствор, содержащий от 70 до 80 процентов его содержания, используется как дезинфицирующее средство.
• Используется в парфюмерии, настойках и красках.
• Он также широко используется в дезинфицирующих средствах для рук.

Заключение

Общий вывод, который следует иметь в виду, молекулы спирта имеют внутри себя ковалентные связи и не ионизируются в воде с образованием свободных ионов, пропускающих электричество.Как известно, переносчиками электрического тока являются свободные электроны.

Следовательно, без свободных ионов / электронов электричество не может проходить через спирт.

Если у вас есть вопросы, вы можете задать их в комментариях. Мы ответим на ваши важные вопросы как можно скорее.

Быстрый ответ: каковы диэлектрические свойства твердых тел

Диэлектрические материалы — это электрические изоляторы, которые могут поляризоваться под действием электрического поля.Диэлектрические свойства твердых тел обычно проявляются в изоляторах.

Каковы свойства диэлектрика?

Свойства диэлектрического материала

• Энергетическая щель в диэлектрических материалах очень велика.
• Температурный коэффициент сопротивления отрицательный, а сопротивление изоляции высокое.
• Диэлектрические материалы обладают высоким удельным сопротивлением.
• Притяжение между электронами и родительским ядром очень сильное.

Каковы три основных электрических свойства, по которым классифицируются твердые тела?

Нам известны физические свойства твердых тел. Нравится то, что они имеют определенную форму и объем. Но электрические свойства твердых тел в значительной степени зависят от их состава и химической структуры. Они делятся на три группы — проводники, полупроводники и изоляторы.

Является ли молоко хорошим проводником электричества?

Молоко является хорошим проводником электричества, поскольку содержит воду и кислоту.Таким образом, благодаря присутствию в молоке воды и молочной кислоты, он является хорошим проводником электричества.

Где используется диэлектрик?

Диэлектрические материалы используются во многих приложениях, таких как: Электронные компоненты, такие как конденсаторы (отвечающие за свойства аккумулирования энергии устройства) Материалы с высоким / низким K, широко используемые в полупроводниках для повышения производительности и уменьшения размера устройства (где K означает к диэлектрической проницаемости или диэлектрической проницаемости)

Какой тип диэлектрика?

Диэлектрические материалы делятся на типы в зависимости от их состояния — твердые, жидкие или газообразные.Каждый тип имеет разные диэлектрические свойства и, в зависимости от состояния, разные области применения.

Из какого материала диэлектрик?

На практике большинство диэлектрических материалов твердые. Примеры включают фарфор (керамику), слюду, стекло, пластмассы и оксиды различных металлов. Некоторые жидкости и газы могут служить хорошими диэлектрическими материалами. Сухой воздух является отличным диэлектриком и используется в конденсаторах переменной емкости и некоторых типах линий передачи.

Все ли проводники сплошные?

В проводнике электрический ток может течь свободно, в изоляторе — нет.Металлы, такие как медь, являются типичными проводниками, в то время как большинство неметаллических твердых веществ считаются хорошими изоляторами, имеющими чрезвычайно высокое сопротивление потоку заряда через них.

Почему в конденсаторе используется диэлектрик?

(b) Диэлектрик снижает напряженность электрического поля внутри конденсатора, что приводит к уменьшению напряжения между пластинами при одинаковом заряде. Конденсатор сохраняет тот же заряд при меньшем напряжении, что означает, что он имеет большую емкость из-за диэлектрика.

Является ли медь диэлектрическим материалом?

Медь не является диэлектриком.

Что такое диэлектрическая проницаемость воды?

Диэлектрик — это материал, который сам поляризуется под воздействием внешнего электрического поля. Диэлектрическая проницаемость чистой воды при 20 ° C составляет 80,1.

Почему он называется диэлектрическим?

Уэвелл придумал слово «диэлектрик», объединив греческие «диа = сквозной» и «электрический». Это слово было сокращено до «диэлектрика», чтобы его было легче произносить.В отличие от электрического проводника, который исключает электрическое поле, диэлектрический материал позволяет электрическому полю проходить через него.

Зачем нам диэлектрическая проницаемость?

Диэлектрическая проницаемость материала определяет количество энергии, которое конденсатор может хранить при приложении напряжения. Диэлектрический материал становится поляризованным при воздействии электрического поля. Когда возникает поляризация, эффективное электрическое поле уменьшается.

Золото — диэлектрик?

Они отличаются высокой оптической проводимостью и химической инертностью в условиях окружающей среды.К сожалению, модели диэлектрической проницаемости, успешно используемые для серебра (например, [2, 47]), для золота, как известно, не идеальны для пороговой энергии 1,8 эВ.

Как проводится испытание на диэлектрическую прочность?

Испытание на выдерживаемое напряжение выполняется с помощью источника высокого напряжения и измерителей напряжения и тока. Для выполнения этого теста часто используется один инструмент, называемый «набором для испытания под давлением» или «высоковольтным тестером». Он подает на устройство необходимое напряжение и контролирует ток утечки. Ток может вызвать срабатывание индикатора неисправности.

Является ли вода диэлектриком?

Воду можно рассматривать как диэлектрик, поскольку она имеет хорошее значение относительной диэлектрической проницаемости (около 80 градусов при 20 ° C). Вода оказывается диэлектриком из-за связанной с ней диэлектрической поляризации (это электрический диполь, высокополярная молекула и даже вращается, выравниваясь в направлении поля).

Является ли алкоголь проводником электричества?

Нет, для того, чтобы раствор проводил электричество, необходимо присутствие свободных ионов, следовательно, спирт, который не ионизируется, является плохим проводником электричества.Нет. В чистом спирте нет свободных ионов, переносящих электрические заряды.

Что подразумевается под диэлектрическими потерями?

Диэлектрические потери, потеря энергии, которая идет на нагрев диэлектрического материала в переменном электрическом поле. Например, конденсатор, включенный в цепь переменного тока, попеременно заряжается и разряжается каждый полупериод. Диэлектрические потери зависят от частоты и материала диэлектрика.

Какие свойства диэлектрического материала?

Диэлектрик, изолирующий материал или очень плохой проводник электрического тока.Когда диэлектрики помещены в электрическое поле, в них практически не протекает ток, потому что, в отличие от металлов, они не имеют слабосвязанных или свободных электронов, которые могут дрейфовать через материал. Вместо этого возникает электрическая поляризация.

Каковы свойства твердого тела?

Solid характеризуются жесткостью конструкции и устойчивостью к изменениям формы или объема. В отличие от жидкости, твердый объект не течет, принимая форму своего сосуда, и не расширяется, чтобы заполнить весь доступный ему объем, как газ.

Спирт хорошо проводит тепло?

Поскольку спирт является плохим проводником тепла, как он измеряет температуру? Это может быть плохой проводник тепла, но он проводит, и его объем изменяется, когда он нагревается, поэтому он работает, чтобы изменить место, где остается мениск, показывая температуру.

Является ли уксус хорошим проводником электричества?

Уксус — это водный раствор уксусной кислоты, который получают путем ферментации этанола или сахаров. Следовательно, можно сказать, что уксус является хорошим проводником электричества.

Что такое диэлектрик и его виды?

Диэлектрическая проницаемость — это способность объекта удерживать столько энергии в форме электрического поля, сколько в той степени, в которой вещество концентрирует электрический поток. Есть два типа диэлектриков — неполярный диэлектрик и полярный диэлектрик.

Какой диэлектрический материал лучший?

Твердые диэлектрики, возможно, являются наиболее часто используемыми диэлектриками в электротехнике, а многие твердые тела являются очень хорошими изоляторами.Некоторые примеры включают фарфор, стекло и большинство пластмасс. Воздух, азот и гексафторид серы — три наиболее часто используемых газообразных диэлектрика.

Серебро — диэлектрик?

Серебро — диэлектрический материал. Диэлектрические материалы поляризуются в электрическом поле. Они используются для увеличения емкости конденсатора.

Диэлектрики — Гипертекст по физике

Обсуждение

основная идея

Диэлектрики — это изоляторы простые и простые.Эти два слова относятся к одному и тому же классу материалов, но имеют разное происхождение и используются преимущественно в разных контекстах.

• Поскольку заряды не имеют тенденции легко перемещаться в неметаллических твердых телах, в стекле, керамике и пластике могут быть «островки» заряда. Латинское слово «остров» — insula , от которого происходит слово insulator . Напротив, заряды в металлических твердых телах имеют тенденцию легко перемещаться — как будто кто-то или что-то их ведет.Латинский префикс con или com означает «с». Человек, с которым у вас есть хлеб, — ваш товарищ. (На латыни хлеб — panis ). Взять что-то с собой в дорогу — значит передать это. (Латинское слово для обозначения дороги — это через .) Человек, с которым вы путешествуете, который указывает путь или обеспечивает безопасный переход, является кондуктором. (Латинское слово для обозначения лидера — , проводник .) Материал, обеспечивающий безопасный проход электрических зарядов, — это проводник .
• Вставка слоя неметаллического твердого вещества между пластинами конденсатора увеличивает его емкость.Греческая приставка di или dia означает «поперек». Линия, пересекающая углы прямоугольника, — это диагональ. (Греческое слово, обозначающее угол — gonia — γωνία.) Измерение поперек круга — это диаметр. (Греческое слово «мера» — метрон — μέτρον.) Материал, помещенный на пластины конденсатора, как небольшой непроводящий мостик, — это диэлектрик .

Пластиковое покрытие электрического шнура является изолятором. Стеклянные или керамические пластины, используемые для поддержки линий электропередач и предотвращения их замыкания на землю, являются изоляторами.Практически всегда, когда неметаллическое твердое тело используется в электрическом устройстве, оно называется изолятором. Возможно, единственный раз, когда слово диэлектрик используется в отношении непроводящего слоя конденсатора.

Диэлектрики в конденсаторах служат трем целям:

1. , чтобы предотвратить соприкосновение проводящих пластин, что позволяет уменьшить расстояние между пластинами и, следовательно, увеличить емкость;
2. для увеличения эффективной емкости за счет уменьшения напряженности электрического поля, что означает, что вы получаете такой же заряд при более низком напряжении; и
3. для уменьшения возможности короткого замыкания из-за искрения (более известного как пробой диэлектрика) во время работы при высоком напряжении.

что здесь происходит

Когда металл помещается в электрическое поле, свободные электроны текут против поля, пока не выйдут из проводящего материала. В кратчайшие сроки у нас будет избыток электронов с одной стороны и дефицит с другой. Одна сторона проводника заряжена отрицательно, а другая — положительно. Освободите поле, и электроны на отрицательно заряженной стороне окажутся слишком близко для комфорта. Подобные заряды отталкиваются, и электроны убегают друг от друга так быстро, как только могут, пока не распределятся равномерно по всему телу; в среднем один электрон на каждый протон в пространстве, окружающем каждый атом.Проводящий электрон в металле похож на гоночную собаку, загнанную на пастбище. Они могут свободно передвигаться сколько угодно и могут перемещаться по всей длине, ширине и глубине металла по своей прихоти.

Жизнь электрона в изоляторе гораздо более ограничена. По определению, заряды в изоляторе не могут свободно перемещаться . Это не то же самое, что сказать, что они не могут двигаться . Электрон в изоляторе похож на сторожевую собаку, привязанную к дереву: он может двигаться свободно, но в определенных пределах.Размещение электронов изолятора в присутствии электрического поля похоже на размещение привязанной собаки в присутствии почтальона. Электроны будут напрягаться против поля, насколько это возможно, почти так же, как наша гипотетическая собака будет напрягаться против своего поводка, насколько это возможно. Однако электроны в атомном масштабе больше похожи на облака, чем на собак. Электрон эффективно распространяется по всему объему атома и не концентрируется в каком-либо одном месте. Полагаю, хорошую атомную собаку нельзя было бы назвать Спотом.

Когда атомы или молекулы диэлектрика помещаются во внешнее электрическое поле, ядра толкаются полем, что приводит к увеличению положительного заряда с одной стороны, в то время как электронные облака притягиваются к нему, что приводит к увеличению отрицательного заряда с другой. боковая сторона. Этот процесс известен как поляризация , , и диэлектрический материал в таком состоянии называется поляризацией , . Существует два основных метода поляризации диэлектрика: растяжение и вращение.

Растяжение атома или молекулы приводит к наведенному дипольному моменту , добавленному к каждому атому или молекуле.

Увеличить

Вращение происходит только в полярных молекулах — с постоянным дипольным моментом , как у молекулы воды, показанной на диаграмме ниже.

Увеличить

Полярные молекулы обычно поляризуются сильнее, чем неполярные. Вода (полярная молекула) имеет диэлектрическую прочность в 80 раз больше, чем у азота (неполярная молекула, которая является основным компонентом воздуха).Это происходит по двум причинам, одна из которых обычно тривиальна. Во-первых, все молекулы растягиваются в электрическом поле независимо от того, вращаются они или нет. Неполярные молекулы и атомы растягиваются, в то время как полярные молекулы растягиваются на и вращаются. Однако эта комбинация действий лишь незначительно влияет на общую степень поляризации вещества. Что еще более важно, полярные молекулы уже сильно растянуты — естественно. То, как атомы водорода сидят на рукавах электронных облаков атома кислорода, искажает молекулу в диполь.Все это происходит в межатомном или молекулярном масштабе. На таких крошечных расстояниях напряженность электрического поля относительно велика для того, что в противном случае было бы ничем не примечательным напряжением (например, 13,6 В для электрона в атоме водорода).

Когда дело доходит до поляризации, растяжение и вращение — не конец истории. Это просто методы, которые проще всего описать случайному наблюдателю. В общем, поляризация диэлектрического материала представляет собой микроскопическую электростатическую деформацию в ответ на макроскопическое электростатическое напряжение.Внешнее поле, приложенное к диэлектрику, не может заставить заряды двигаться макроскопически, но оно может растягивать и искажать их микроскопически. Он может толкнуть их в неудобное положение, а при отпускании позволить им вернуться в расслабленное состояние. То, что отличает поляризацию изолятора от растяжения упругого тела, такого как пружина, заключается в том, что устранение напряжения не обязательно снимает напряжение. Некоторые изоляторы будут оставаться в поляризованном состоянии в течение часов, дней, лет или даже столетий.Наиболее длинные характерные времена должны быть экстраполированы из неполных наблюдений на более разумную продолжительность. Никто не собирается сидеть сложа руки и ждать две тысячи лет, чтобы увидеть, как поляризация куска пластика уменьшится до нуля. Ждать не стоит.

Наконец, важно иметь в виду, что заряды, «хранящиеся» в диэлектрическом слое, не доступны в виде пула свободных зарядов. Для их извлечения еще понадобятся металлические пластины. Важно помнить, что единственная причина, по которой кого-то, похоже, волнует это явление, заключается в том, что он помогает нам создавать лучшие конденсаторы.Я думаю, что на этом следует завершить обсуждение.

конденсаторы с диэлектриками

Поместите диэлектрический слой между двумя параллельно заряженными металлическими пластинами, направив электрическое поле справа налево. (Почему не слева направо? Ну, я читаю справа налево, поэтому мне легче «читать» диаграммы.) Положительные ядра диэлектрика будут перемещаться на с полем вправо, а отрицательные электроны переместит против на поле слева.Силовые линии начинаются с положительных зарядов и заканчиваются отрицательными зарядами, поэтому электрическое поле внутри каждого напряженного атома или молекулы диэлектрика указывает на нашей диаграмме слева направо — напротив внешнего поля двух металлических пластин. Электрическое поле — это векторная величина, и когда два вектора указывают в противоположных направлениях, вы вычитаете их величины, чтобы получить результат. Два поля не компенсируются в диэлектрике, как в металле, поэтому общий результат — более слабое электрическое поле между двумя пластинами.

Увеличить

Позвольте мне повторить это — общий результат — более слабое электрическое поле между двумя пластинами. Давай займемся математикой.

Электрическое поле — это градиент электрического потенциала (более известного как напряжение).

.

Емкость — это отношение заряда к напряжению.

Введение диэлектрика в конденсатор уменьшает электрическое поле, что снижает напряжение, что увеличивает емкость.

.

Конденсатор с диэлектриком сохраняет тот же заряд, что и конденсатор без диэлектрика, но при более низком напряжении.Поэтому конденсатор с диэлектриком более эффективен.

ЭТА МАЛЕНЬКАЯ ЧАСТЬ НУЖДАЕТСЯ В Доработке.

О первых открытиях лейденской банки. Удаление стержня снижает емкость. (Воздух имеет более низкую диэлектрическую проницаемость, чем вода.) Напряжение и емкость обратно пропорциональны, когда заряд постоянен. Уменьшение емкости увеличивает напряжение.

восприимчивость, диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая проницаемость

Электрический дипольный момент чего-либо — будь то атом, растянутый во внешнем электрическом поле, полярная молекула или две противоположно заряженные металлические сферы — определяется как продукт заряда и разделения.

p = q r

с единицей СИ, равной кулоновому метру , который не имеет специального названия.

[см = см]

Поляризация области определяется как дипольный момент на единицу объема

с единицей СИ кулонов на квадратный метр .

Расчет поляризации из первых принципов — сложная процедура, которую лучше доверить специалистам.Не беспокойтесь о деталях того, почему поляризация имеет такое значение, просто примите то, что она существует и является функцией некоторых переменных. И что это за переменные? Конечно, зачем они нужны, и почему они такие материалы и напряженность поля. Различные материалы поляризуются в разной степени — мы будем использовать греческую букву χ _e [chi sub e], чтобы обозначить эту величину, известную как электрическая восприимчивость, — но для большинства материалов поле сильнее ( E ) , тем больше поляризация ( P ).Добавьте коэффициент пропорциональности ε ₀ , и все готово.

P = ε ₀ χ _e E

Электрическая восприимчивость — это безразмерный параметр, который зависит от материала. Его значение варьируется от 0 для пустого места до любого другого. Бьюсь об заклад, есть даже некоторые причудливые материалы, для которых этот коэффициент отрицательный (хотя я не знаю наверняка). Константа пропорциональности ε ₀ [эпсилон ноль] известна как диэлектрическая проницаемость для свободного пространства и будет рассмотрена немного позже.На данный момент это просто приспособление для тренировки единиц.

НАПИШИТЕ ОТДЫХ.

Величина κ [каппа] безразмерна.

Диэлектрическая проницаемость для выбранных материалов (~ 300 K, если не указано иное)

пробой диэлектрика

Любой изолятор можно заставить проводить электричество.Это явление известно как пробой диэлектрика .

Пробой диэлектрика в избранных материалах

пьезоэлектрический эффект

Произнесите все гласные.Пьезоэлектричество — это эффект преобразования энергии между механической и электрической формами.

• Пьезо — греческое слово, обозначающее давление (πιεζω).
• Обнаружен в 1880-х годах братьями Кюри.
• Недорогие пьезоэлектрические микрофоны. Когда поляризованный кристалл подвергается напряжению, напряжение создает разность потенциалов. Эта разность потенциалов пропорциональна напряжению, которое пропорционально акустическому давлению.
• Обратный пьезоэлектрический микрофон — это пьезоэлектрический динамик: зуммер будильника, звонок наручных часов, всевозможные электронные гудки.Когда к поляризованному кристаллу прикладывается электрический потенциал, кристалл подвергается механической деформации, которая, в свою очередь, может создавать акустическое давление.
• Коллаген пьезоэлектрический. «Когда к [костному] коллагену прикладывается сила, создается небольшой электрический потенциал постоянного тока. Коллаген проводит ток в основном за счет отрицательных зарядов. Минеральные кристаллы кости (апатит), расположенные рядом с коллагеном, проводят ток с помощью положительных зарядов. На стыке из этих двух типов полупроводников ток легко течет в одном направлении, но не в другом….Считается, что силы, действующие на кости, создают потенциалы за счет пьезоэлектрического эффекта и что соединения коллаген-апатит образуют токи, которые вызывают и контролируют рост костей. Токи пропорциональны напряжению (сила на единицу площади), поэтому повышенное механическое напряжение костей приводит к усилению роста «. Physics of the Body (255).

Исследование диэлектрической релаксации амидов со смесями спиртов методом рефлектометрии во временной области

https: // doi.org / 10.1016 / j.sajce.2017.06.006Право на получение и содержание

Основные моменты

•

Время релаксации зависит от длины цепи спиртов и замещенных амидов.

•

График Брюггемана показывает отклонение от линейности.

•

Это отклонение объясняется каким-то молекулярным взаимодействием, которое может иметь место между спиртами и замещенными амидами.

•

Значения избыточной статической диэлектрической проницаемости и избыточного обратного времени релаксации варьируются от отрицательных до положительных для всех систем, что указывает на наличие взаимодействия растворенного вещества и растворителя между спиртами и замещенными амидами для всей динамики смеси.

Abstract

С помощью рефлектометрии во временной области (TDR) были проведены исследования диэлектрической релаксации бинарных смесей амидов ( N -метилацетамид, N , N -диметилацетамид) со спиртом (1-бутанолом). , 1-пентанол, 1-гексанол, 1-гептанол, 1-октанол и 1-деканол) для различных концентраций в диапазоне частот от 10 МГц до 10 ГГц при 303 К. Были определены коэффициент корреляции Кирквуда и свойства избыточной диэлектрической проницаемости и обсуждены для получения информации о молекулярных взаимодействиях систем.Время релаксации изменяется в зависимости от длины цепи спиртов, и наблюдаются замещенные амиды. График Брюггемана показывает отклонение от линейности. Это отклонение объясняется каким-то молекулярным взаимодействием, которое может происходить между спиртами и замещенными амидами. Значения избыточной статической диэлектрической проницаемости и избыточного обратного времени релаксации варьируются от отрицательного до положительного для всех систем, что указывает на наличие взаимодействия растворенного вещества и растворителя между спиртом и замещенными амидами для всей динамики смеси.

Ключевые слова

Диэлектрическая проницаемость

Дополнительные параметры

Коэффициент корреляции Кирквуда

Время релаксации

Рефлектометрия во временной области

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

© 2017 Издано Elsevier B.V. от имени Института инженеров-химиков.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Повышение высокочастотных диэлектрических свойств нанокомпозитов с бета-SiC за счет синергии между перколяцией и поляризацией Электропроводность и высокая теплопроводность очень трудно одновременно получить в высокочастотных полимерных нанокомпозитных диэлектриках.Вместо традиционной электрической перколяции в этой работе был предложен новый способ, основанный на синергии между электрической перколяцией и индуцированной поляризацией, для получения нанокомпозитов типа 0–3 с улучшенной высокой диэлектрической проницаемостью (high-k) и низкими потерями на высоких частотах. . Эта работа была направлена ​​на оптимизацию этой синергии для достижения упомянутых выше благоприятных свойств композитных диэлектриков, используемых на высоких частотах, таких как 1 МГц и 1 ГГц. Проводящие наночастицы бета-SiC с размером частиц ~ 30 нм были использованы в качестве наполнителя, а как изолирующие поливиниловый спирт, так и поливинилхлорид были использованы в качестве полимерных матриц для создания двух композитных систем.Использование поливинилхлорида вместо поливинилового спирта обеспечивает более высокие электрические свойства композитов, что связано с оптимизацией этой синергии. Оптимизация была достигнута на основе комбинации мягкой индуцированной поляризации и электрической перколяции с помощью поляризации. Таким образом, эта работа может открыть путь для крупномасштабного производства высокочастотных композитных диэлектриков с конкурентоспособными комплексными электрическими свойствами.

Ключевые слова: высокочастотный, диэлектрик, нанокомпозит, перколяция, поляризация

1.Введение

Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k) с низкими диэлектрическими потерями и высокой электрической пробивной прочностью стали предметом внимания и вызвали большой исследовательский интерес в области устройств накопления энергии высокой плотности, используемых при высоких частотах [1]. Общепринято, что высокая плотность накопления энергии для диэлектрических материалов будет получена на основе комбинации свойства high-k и высокой прочности на электрический пробой в этих материалах [2]. Обычно полимерные материалы имеют желаемую высокую прочность на пробой и легкость обработки, но они имеют нежелательно низкую диэлектрическую проницаемость и плохую термостойкость [3], вызванные их структурой ковалентной связи.В отличие от полимерных материалов, керамические материалы с высоким значением k обладают благоприятной высокой диэлектрической проницаемостью и сильным термическим сопротивлением, но они имеют нежелательно низкую прочность на пробой и высокую механическую хрупкость [4], что связано с их структурой ионной связи. В настоящее время стратегия гибридизации [5,6,7] широко используется для получения материалов с высокими эксплуатационными характеристиками. Таким образом, композитные диэлектрические материалы, полученные путем смешивания полимера и керамики с высокой k, были в значительной степени разработаны для объединения преимуществ обоих компонентов [8].В эти композитные диэлектрики добавление керамики с высоким значением k с более высоким модулем Юнга по сравнению с полимером улучшило бы механическую прочность полимера и, следовательно, электрическую прочность полимера на пробой [9,10]. Кроме того, технологичность композитных диэлектриков будет хорошо сохраняться благодаря низкому модулю Юнга (а именно высокой гибкости) полимерного компонента. Обратите внимание, что большое развитие различных сегнетоэлектрических материалов [11,12,13,14,15] способствовало разработке и изготовлению вышеупомянутых композитных диэлектриков керамика / полимер high-k из-за желательной сверхвысокой диэлектрической проницаемости в сегнетоэлектрической керамике ( такие как титанат бария) и относительно высокая диэлектрическая проницаемость в сегнетоэлектрических полимерах (таких как поливинилиденфторид).

В течение последних десятилетий композитные диэлектрики high-k, состоящие из полимера и сегнетоэлектрической керамики, достигли больших успехов [16]. Чтобы получить желательно высокую диэлектрическую проницаемость в этих композитных диэлектриках, исследователи должны добавить в полимер очень высокую объемную концентрацию керамики, основываясь на классических последовательных и параллельных эффективных диэлектрических моделях [17]. Однако такая высокая концентрация керамического наполнителя в полимерной матрице приводит к неоднородному распределению и агрегации керамического наполнителя во всем композите.В этом случае механические свойства композита, такие как гибкость, будут снижены. Если эта добавленная керамика будет иметь нанометровый размер, механические свойства композита будут серьезно повреждены из-за довольно большой удельной площади и сильной агломерации наноразмерных керамических частиц. Чтобы подавить агрегацию наночастиц, совместимость границ раздела между наночастицами и полимером должна быть улучшена путем настройки химии поверхности наночастиц (а именно, органической модификации поверхности неорганических наночастиц) [18,19,20,21].Помимо рассмотренной выше сегнетоэлектрической керамики и композитных диэлектриков high-k на полимерной основе, огромные успехи получили и те, которые заполнены электропроводящими материалами [22]. Обычно теории поляризации границ раздела [23] и теории электрической перколяции [24] используются для объяснения аномального свойства high-k, получаемого в этих композитных диэлектриках проводник / полимер.

Когда на композит воздействует внешнее электрическое поле, подвижные носители заряда внутри этого композита накапливаются в областях границы раздела проводник / полимер.Накопление носителей заряда происходит из-за значительной разницы между двумя компонентами в отношении диэлектрической проницаемости или проводимости. Поскольку механизм электропроводности вот-вот трансформируется с неомического механизма проводимости в омический (около порога перколяции), диэлектрическая проницаемость и проводимость всего композита значительно улучшаются за счет небольшого увеличения объемной концентрации проводящего наполнителя. . Чтобы избежать полностью омической проводимости всего композита, исследователи должны ввести низкую объемную концентрацию проводящего наполнителя в полимерную матрицу.В этом случае в этих композитах сохранятся относительно высокие механические свойства [25]. Однако эти композиты в качестве диэлектрических материалов не способны выдерживать более высокое приложенное электрическое поле, что объясняется как большими диэлектрическими потерями, так и проводимостью утечки.

Хотя желаемые диэлектрические свойства на низких частотах были реализованы во многих органических-неорганических композитных диэлектрических материалах, обнаружение того, как одновременно достичь высокой диэлектрической проницаемости и низких диэлектрических потерь в этих композитных диэлектриках на высоких частотах, все еще остается сложной задачей.Между тем для этих композитных диэлектриков подчеркивается высокая электрическая пробойная прочность и теплопроводность [26]. В нашей предыдущей работе [27] было обнаружено, что поляризация, вызванная границей раздела между неорганической керамикой на основе Si с малой шириной запрещенной зоны и органическими полимерами с высокой полярностью, способствует значительному увеличению высокой диэлектрической проницаемости композитов на низких частотах. С целью одновременного достижения благоприятной высокой диэлектрической проницаемости и низких потерь в композитных диэлектриках проводник / полимер на высоких частотах, в этой работе мы хотели бы представить новую и простую стратегию получения желаемых диэлектрических характеристик в двух нанокомпозитах типа 0–3. системы, основанные на физическом смешивании полярных полимеров с проводящими наночастицами бета-SiC.

Для начала, чистые наночастицы бета-SiC были использованы в качестве наполнителя для приготовления композитов из-за их низкой собственной ширины запрещенной зоны (около 2,20 эВ) и высокой врожденной проводимости (около 0,67 См · м ⁻¹ ) [28, 29]. Таким образом, можно ожидать, что в этих композитах будут возникать сильная наведенная поляризация и сильная электрическая перколяция. Кроме того, в качестве полимерных матриц использовали поливинилхлорид высокой полярности и поливинилхлорид средней полярности. Различная присущая полярность в обеих матрицах может привести к различной наведенной поляризации [30] и диэлектрическим свойствам для двух разных композитных систем (разные полимерные матрицы, но один и тот же нанонаполнитель).В конце концов, две разные нанокомпозитные системы были превращены в пленки с помощью простого процесса литья из раствора, а диэлектрические, проводящие и электрические свойства пробоя обеих систем были тщательно исследованы. В нанокомпозитной системе на основе поливинилхлорида с наполнителем из бета-SiC были успешно получены желаемые диэлектрические, электропроводящие свойства, свойства электрического пробоя и теплопроводности благодаря оптимизированному синергетическому эффекту между поляризацией, вызванной поверхностью раздела наполнитель / матрица, и электрической перколяцией наполнителя.Предполагается, что как умеренная наведенная поляризация, так и перколяция с помощью поляризации ответственны за достигаемую высокую диэлектрическую проницаемость, низкие потери, низкую проводимость и высокую прочность на пробой в композитной системе на основе поливинилхлорида, применяемой в высокочастотном диапазоне. Кроме того, в этой системе была получена благоприятная высокая теплопроводность. Таким образом, эта работа может открыть путь для крупномасштабной подготовки высокопроизводительных композитных диэлектриков, которые будут использоваться на высоких частотах (например, 1 МГц и 1 ГГц).

2. Материалы и методы

Наночастицы карбида кремния, принадлежащие к бета-кристаллической форме (β-SiC НЧ), были закуплены у Shanghai Xiangtian Nanomaterials Co., Ltd. (Шанхай, Китай). НЧ β-SiC (реальная плотность, примерно 3,2 г / см ^-3 ) трижды промывали абсолютным этанолом для удаления примесей с последующей сушкой при 180 ° C в течение 6 часов перед использованием. Поли (виниловый спирт) (ПВС, 17-88, степень полимеризации около 1700, процент гидролиза около 88 мол.%, Молекулярная масса ( M _w ) около83300, индекс полидисперсности (PDI) 1,24) был приобретен у Shanxi Sanwei Co., Ltd. (Шанхай, Китай). Поливинилхлорид (PVC, 5401T, M _w приблизительно 93700, PDI 1,22) был получен от Shanghai Micro-analysis Technology Co., Ltd. (Шанхай, Китай). Абсолютный этанол (99,7%, сорт AR) и тетрагидрофуран (THF, 99,5%, сорт AR) из Aladdin, Шанхай, Китай, использовали в полученном виде.

Обе нанокомпозитные системы, а именно нанокомпозитные системы SiC / PVA и SiC / PVC, были приготовлены в виде пленок легким методом литья из раствора [31] из суспензии с несколькими расчетными объемными концентрациями (включая 0 об.%, 0,0%).10 об.%, 0,20 об.%, 0,30 об.% И 0,40 об.%) Наночастиц SiC в растворах высоковязких полимеров на чистых стеклянных подложках. Для композитной системы SiC / PVA в качестве растворителя полимера использовалась деионизированная (ДИ) вода, и пленки формировались при 50 ° C. Для композитной системы SiC / PVC THF действовал как полимерный растворитель, и пленки были изготовлены при 25 ° C. Использование высоковязких полимерных растворов направлено на предотвращение осаждения наночастиц SiC высокой плотности (по сравнению с полимерными материалами) во время испарения растворителей, что приводит к более равномерному диспергированию наночастиц SiC в полимерных матрицах.После термообработки в вакуумной печи в течение 4 ч для удаления дефектов воздуха (100 ° C для композитов на основе ПВС и 80 ° C для композитов на основе ПВХ) все пленки (средней толщины около 60 мкм) отслаивались от предметных стекол с последующим напылением Au на обе поверхности для формирования электродов для последующих измерений электрических свойств.

Картина дифракции рентгеновских лучей (XRD) была получена с использованием дифрактометра Rigaku D / max 2400 (Rigaku Corporation, Токио, Япония) с длиной волны рентгеновского излучения 1,542 Å (излучение Cu Kα, 40 кВ, 100 мА). Угол дифракции 2-тета при 10–90 °, скорости 15 ° / мин и шаге 0.02 °. Изображение, полученное методом автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FE-SEM), было получено с JSM-6700F (JEOL, Акишима, Япония) при 5 кВ. Результат гистограммы распределения частиц по размерам был получен с использованием лазерного анализатора размера частиц Winner2000M (Ji’nan Weina Granule Technology Co., Ltd., Цзинань, Китай). Данные по сопротивлению электрическому пробою были получены на автоматическом тестере устойчивости к напряжению (RK2674B, Shanghai Shuangxu Electronics Co., Ltd., Шанхай, Китай). Диэлектрические свойства и свойства проводимости переменного тока при комнатной температуре были достигнуты с помощью HP4284A (Shenzhen Jiagelun Electronic Instrument Co., Ltd., Шэньчжэнь, Китай, частота тестирования варьируется от 100 Гц до 1 МГц) и HP4287A (Dongguan Xinfeiyu Instrument Co., Ltd., Дунгуань, Китай, частоты от 1 МГц до 1 ГГц) LCR с напряжением смещения 1 V. Au-электроды были сформированы на обеих поверхностях пленок с помощью автоматического устройства для тонкого покрытия JEOL JFC-1600 до проведения измерений электрических свойств. Результаты по теплопроводности были получены с помощью измерителя теплопроводности (YDR-905, Beijing Beixin Future Electronic Instrument Co., Ltd., Пекин, Китай).

3. Результаты и обсуждение

3.1. Характеристика использованных наночастиц SiC

Состав использованных наночастиц SiC был охарактеризован результатами XRD, как показано на a. Было доказано, что наночастицы SiC принадлежат к бета-кристаллической форме, и они обладали структурой кубической кристаллической системы на основе аналитического программного обеспечения MDI Jade 5.0 (стандартный номер карты — JCPDS 29-1129 для нынешнего 3C-SiC). Углы дифракции (2-тета) при 36 °, 41,6 °, 60 °, 72 ° и 75,8 ° следует отнести к кристаллическим индексам (111), (200), (220), (311) и (222). ) для бета-SiC соответственно [32].2-тета при 34 ° следует отнести к дефектам упаковки, образовавшимся в кристалле бета-SiC [33]. Морфология наночастиц SiC изучалась по результатам поверхностного сканирующего электронного микроскопа, как показано на вставке к рисунку. Неправильная трехмерная форма наблюдалась для наночастиц SiC, что указывает на высокую геометрическую асимметрию используемых наночастиц SiC. Было обнаружено, что наночастицы SiC имеют наноразмерный размер. Средний размер частиц и распределение частиц SiC NP были получены по результатам гистограммы распределения частиц по размерам, как показано на b. Относительно узкое распределение частиц по размерам (15–45 нм) было подтверждено для существующих наночастиц SiC.НЧ с размером частиц 30 нм составляли ок. 60 об.% Среди всех наночастиц с различными размерами частиц, что предполагает 30 нм как средний размер частиц (средний диаметр) для используемых наночастиц SiC.

( a ) Дифракция рентгеновских лучей (XRD) подтвердила бета-кристаллическую форму SiC, SEM (вставка) подтвердила высокую геометрическую асимметрию SiC, и ( b ) гистограмма распределения частиц по размерам предложила 30 нм как средний размер частиц и узкий гранулометрический состав SiC.

3.2. Диэлектрические, проводящие и пробивные свойства нанокомпозитов

В последнее время диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью, низкими диэлектрическими потерями, низкой электропроводностью и высокой электрической пробивной прочностью привлекли большой исследовательский интерес в области высокочастотных электронных компонентов и устройств [34]. В этой работе сочетание классической электрической перколяции с поляризацией, индуцированной границей раздела, вместо одиночной электрической перколяции, было выполнено для оптимизации электрических свойств нанокомпозитных диэлектриков на высокой частоте, а не на низкой частоте.На рисунке а были получены результаты диэлектрической проницаемости (при высокой частоте измерения, 1 МГц) двух композитных систем в состоянии их изготовления в зависимости от объемной доли SiC. Что касается обеих композитных систем, увеличение объемной концентрации наночастиц SiC может улучшить диэлектрическую проницаемость композитов из-за более высокой электропроводности бета-SiC по сравнению с двумя видами полимерных матриц [35]. Однако диэлектрическая проницаемость композитной системы SiC / PVA была явно повышена при более низкой объемной доле SiC по сравнению с диэлектрической проницаемостью композитной системы SiC / PVC.Это может происходить из-за более высокой внутренней полярности ПВС, чем ПВС (а именно, более сильной наведенной поляризации между SiC и ПВС, чем между SiC и PVC) [36]. Например, диэлектрическая проницаемость композитов на основе ПВС увеличилась до ок. 43 от 0,7, когда концентрация SiC была увеличена с 0 до 10 об.%. Диэлектрическая проницаемость композитов на основе ПВХ была увеличена до прибл. 267 с 2,5, а концентрация SiC в нагрузке была увеличена с 0 до 30 об.%.

( a ) Данные по диэлектрической проницаемости показали как индуцированную поляризацию, так и электрическую перколяцию в двух композитных системах, а результаты потерь ( b ) свидетельствуют о превосходстве системы на основе поливинилхлорида (PVC) над системой на основе поливинилового спирта (PVA). .

Как упоминалось выше, помимо индуцированной границей поляризации между керамическим наполнителем на основе Si и полярной полимерной матрицей [37], в настоящих двух нанокомпозитных системах должна существовать классическая электрическая перколяция между проводящими бета-SiC НЧ [38]. На основании a быстрое увеличение отношения диэлектрической проницаемости композита и диэлектрической проницаемости полимера ( ε _{композит} / ε _{полимер} ) было подтверждено в двух композитных системах (см. График аннотации), в то время как объемная доля SiC была увеличена с От 20 до 30 об.%.Это свидетельствует об электрическом перколяционном поведении проводящих наночастиц SiC через полимерные матрицы в обеих композитных системах. Можно сделать вывод, что критическая объемная доля для реализации электрической перколяции используемых в настоящее время наночастиц бета-SiC (размер частиц примерно 30 нм) в изолирующих полимерных матрицах очень близка к 30 об.%. На диаграмме a самая высокая диэлектрическая проницаемость (при 1 МГц и 40 об.% Концентрации SiC) была измерена и составляла прибл. 487 ( ε _{композит} / ε _{полимер} = 695) для композитной системы на основе ПВС и ок.324 ( ε _{композит} / ε _{полимер} = 129) для системы на основе ПВХ. Синергия между электрической перколяцией и индуцированной поляризацией (превосходящая электрическую перколяцию) является причиной высокой диэлектрической проницаемости (high-k), достигнутой в двух композитных системах, а диэлектрическая проницаемость (более 300 при 1 МГц) двух композитов может подчеркнуть их преимущества как высокочастотных диэлектрических материалов.

Обычно высокая диэлектрическая проницаемость композитных материалов достигается за счет низких диэлектрических потерь, и одновременное получение высокой диэлектрической проницаемости и низких потерь в композитных диэлектриках давно преследуется [39].На b показаны результаты диэлектрических потерь, соответствующие результатам диэлектрической проницаемости a. Для двух композитных систем потери в первую очередь уменьшились, а затем увеличились с увеличением объемной концентрации SiC. Наименьшие потери были определены при 10 об.% Концентрации SiC для обеих систем, что объясняется резким увеличением механического модуля материалов с концентрацией SiC, увеличивающейся с 0 до 10 об.%. Увеличение модуля в результате введения твердых неорганических наночастиц SiC может снизить диэлектрические потери, вызванные утечкой ионов в полимерных матрицах с относительно низким модулем [40].Однако дальнейшее увеличение концентрации SiC (с 10 об.% До 40 об.%) Не приведет к заметному увеличению модуля композитов и приведет к увеличению поляризации, вызванной границей раздела SiC / полимер [41], в дополнение к более высокой вероятности возникновения просачивание. Таким образом, потери были уменьшены, как только SiC был увеличен с 10 об.%.

Что касается композитной системы SiC / PVA, результаты потерь для композитов, за исключением композита, заполненного 10 об.% SiC, оказались намного выше, чем для чистого PVA-материала.Например, композит, наполненный 40 об.% SiC, имел потери (0,076 при 1 МГц) примерно. в шесть раз больше, чем в чистом ПВС (0,012 при 1 МГц). Хотя потери в этом композите были явно повышенными, они все еще оставались на довольно низком уровне (ниже 0,1, что соответствует требованиям к низким потерям для высокочастотных диэлектрических материалов). В сочетании с результатами композит на основе ПВС, наполненного 40 об.% SiC, обладает желаемой высокой диэлектрической проницаемостью (около 487) и низкими потерями (0,076) на высокой частоте 1 МГц. Что еще более важно, было обнаружено, что все композиты на основе ПВХ имеют более низкие потери, чем чистый материал ПВХ, что предполагает большее потенциальное преимущество применения по сравнению с вышеупомянутыми композитами на основе ПВС.Это можно объяснить уменьшенными потерями на утечку на границе раздела фаз, вызванными индуцированной поляризацией (по сравнению с системой на основе PVA [36]), а также прекрасной линейной диэлектрической характеристикой в ​​материале ПВХ (с довольно низкой остаточной поляризацией и накоплением энергии. убыток [42]). Следует отметить, что все композиты на основе ПВХ с 10–40 об.% НЧ SiC имели более низкие потери, чем чистый ПВХ, что в основном можно объяснить эффектом эффективного разбавления НЧ на матрице ПВХ в этих композитах. Из-за относительно слабого взаимодействия между SiC и ПВХ введение наночастиц SiC приводит к большему свободному объему для молекул ПВХ в композитах на основе вышеупомянутого эффекта разбавления.Более низкая сила внутреннего трения между молекулами ПВХ достигается в композитах во время процесса диэлектрического отклика, что приписывается большему свободному объему. Другими словами, в композитах на основе ПВХ было бы легче реверсировать электрические диполи (в ПВХ), чем в чистом материале из ПВХ, под действием приложенного электрического поля. Следовательно, диэлектрические потери всех композитов на основе ПВХ были ниже, чем у чистого ПВХ, см. B. Однако в случае композитов на основе ПВС дело обстояло иначе. Хотя эффект разбавления наночастиц все еще существует в композитах на основе ПВС, относительно сильное взаимодействие между ПВС и SiC будет сдерживать изменение направления электрических диполей в матрице ПВС.Таким образом, потери композитов на основе ПВС с 20–40 об.% SiC были намного выше, чем у чистого ПВС, см. Б. Например, потеря 30 об.% SiC-наполненного композита на основе ПВХ составила 0,009, т.е. 50% от чистого ПВХ (0,017) на частоте 1 МГц. Поскольку 40 об.% Наночастиц SiC были смешаны с материалом ПВХ, композит мог одновременно получить очень высокую диэлектрическую проницаемость (около 324) и низкие потери (0,014) на частоте 1 МГц. Подводя итог, можно сказать, что для одновременного достижения в композитах свойств высокого k и низких потерь умеренная наведенная поляризация между наполнителем и матрицей была бы более полезной для благоприятного синергизма с электрической перколяцией наполнителя, чем сильная наведенная поляризация.

Обычно более высокая электропроводность (обозначающая большую проводимость утечки) приводит к более высоким диэлектрическим потерям для большинства композитных диэлектриков. Таким образом, низкая электрическая проводимость очень желательна для высокочастотных ориентированных композитных диэлектрических материалов [43]. На рисунке a показаны данные о проводимости двух композитных систем на частоте 1 МГц при переменном токе (переменном токе) в зависимости от объемной концентрации SiC. В общем, их проводимость на переменном токе изменялась с той же тенденцией, что и их диэлектрическая проницаемость в a, а именно, введение SiC могло увеличить проводимость композитов на переменном токе.Это можно объяснить более высокой удельной проводимостью бета-SiC по сравнению с двумя изоляционными полимерными материалами. Что касается композитной системы на основе ПВС, проводимость на переменном токе значительно повысилась, поскольку концентрация SiC была увеличена с 20 до 30 об.%. Это предполагает электрическую перколяцию в системе на основе ПВС, как обсуждалось выше. Между тем, сильная наведенная поляризация между проводящим SiC и PVA сверхвысокой полярности может быть достигнута при концентрации SiC, близкой к 30 об.%, Что способствует высокой межфазной проводимости утечки и, следовательно, высокой проводимости по переменному току.Например, когда концентрация SiC была увеличена с 20 об.% До 30 об.%, Проводимость композитов на основе ПВС по переменному току увеличивалась примерно на 10%. 315% на частоте 1 МГц. Оба композитных материала на основе ПВС, содержащие 30 об.% И 40 об.% Наночастиц SiC, имели относительно высокие данные по проводимости на переменном токе (более 0,1 См · м ^-1 ), что указывает на их низкие изоляционные недостатки для высокочастотных применений, хотя высокая диэлектрическая проницаемость и низкие потери могут получить в них. Напротив, желаемая низкоуровневая проводимость по переменному току (ниже 0,04 См · м ^-1 ) всегда поддерживалась во всех композитах на основе ПВХ.С увеличением концентрации SiC проводимость системы на основе ПВХ по переменному току медленно увеличивалась, что свидетельствует об относительно высоких электрических изоляционных свойствах из-за мягкой поляризации, вызванной границей раздела между SiC и материалом ПВХ средней полярности. Вновь продемонстрированы достоинства композитной системы SiC / PVC. При содержании SiC 40 об.% Композит на основе ПВХ показал относительно низкую проводимость по переменному току, примерно 0,037 См · м ^-1 (примерно в 4,8 раза больше чистого ПВХ) на 1 МГц.

( a ) Результаты по проводимости при переменном токе (переменного тока) показали относительно высокие электрические изоляционные свойства композитной системы на основе ПВХ, а данные о сопротивлении пробою ( b ) дополнительно подтвердили преимущество системы на основе ПВХ как материалов с высокой изоляцией.

Помимо низкой проводимости композитных диэлектриков, их высокая электрическая пробивная прочность подчеркивает их преимущества [44]. На рис. B получены результаты по сопротивлению пробою этих образцов, соответствующие результатам их проводимости на переменном токе на рис. Было обнаружено, что с увеличением объемной доли SiC сопротивление разрушению обеих композитных систем постепенно снижается с почти линейной тенденцией. Снижение прочности на пробой должно быть связано с введением проводящего SiC в изоляционные полимерные материалы.Хотя ПВС имел более высокую внутреннюю прочность на пробой по сравнению с ПВХ, прочность на пробой системы на основе ПВС снижалась быстрее, чем у системы на основе ПВС, с увеличением концентрации SiC. Это может быть вызвано сочетанием сильной наведенной поляризации и электрической перколяции в композитной системе на основе ПВС. Высокая устойчивость к разрушению для системы на основе ПВХ является результатом оптимизированного синергизма между поляризацией и перколяцией. Например, при концентрации SiC, составляющей 30 об.%, Композит на основе ПВХ имел прочность на пробой ок.26 МВ · м ^-1 (снижено на 35% по сравнению с чистым ПВХ), в то время как аналог на основе ПВС имел сопротивление разрушению ок. 18 МВ · м ^-1 (уменьшено на 64% по сравнению с чистым ПВС). Даже несмотря на то, что перколяция образовывалась при концентрации SiC 30 об.%, Композит на основе ПВХ мог обладать благоприятными высокими характеристиками пробоя. Разрыв между данными по сопротивлению пробою двух нанокомпозитных систем можно объяснить различием в поведении наведенной поляризации обеих [36].Подводя итог, композиты на основе ПВХ еще раз продемонстрировали свои преимущества в отношении свойств электрического пробоя.

3.3. Вклад индуцированной поляризации в проводимость нанокомпозитов

В нашей предыдущей работе [45] было обнаружено, что межфазная поляризация между керамическим наполнителем на основе Si и полимерной матрицей приводит к увеличению проводимости и диэлектрической проницаемости керамики. наполнитель, а также повышение проводимости и диэлектрической проницаемости композитов.В этой работе была предложена и реализована стратегия сочетания наведенной поляризации с электрической перколяцией, как обсуждалось выше. Очевидно, что свойство high-k композитов непосредственно после приготовления было тесно связано с повышенной проводимостью этих композитов. Высокая проводимость композитов должна быть обусловлена ​​двумя аспектами, а именно вкладом индуцированной поляризации и электрической перколяции. В течение последних десятилетий широко исследуется связь проводимости композита и перколяции наполнителя [46].Однако конкретный вклад индуцированной поляризации в увеличение проводимости нанокомпозитов, полученных в данной работе, не выяснен. На рисунке a показан результат измерения электропроводности на переменном токе композита на основе ПВС с наполнителем из 29 об.% SiC (сокращенно SiC-0,29 / ПВС) в зависимости от испытательной частоты, изменяющейся от 100 Гц до 1 МГц. Причина выбора образца SiC-0.29 / PVA заключалась в том, что 29 об.% Должно быть близко к порогу перколяции (немного ниже 30 об.%, Как обсуждалось выше). Проводимость на переменном токе улучшалась почти линейно с увеличением частоты, что свидетельствует об относительно хороших изоляционных свойствах образца при слабом приложенном электрическом поле [37].Электропроводность на переменном токе изменялась от 7 × 10 ⁻⁶ См · м ⁻¹ до 0,066 См · м ⁻¹ .

( a ) результат проводимости переменного тока подтвердил хорошие изоляционные свойства для образца композита SiC-0,29 / PVA, а ( b ) линейная аппроксимация испытанных данных показала повышенное значение u 1,02 для образца SiC-0,29 / PVA и подтвержденный вклад индуцированной поляризации ок. 30% к проводимости композита.

В классической теории электрической перколяции были предложены как омический, так и неомический механизмы проводимости в композитных диэлектриках [47].Первый индуцируется после перколяции, а второй запускается до перколяции. Поскольку объемная концентрация проводящего наполнителя близка к порогу перколяции, проводимость композита по переменному току ( σ ) во многом зависит от угловой частоты ( ω ) приложенного переменного электрического поля ( ω = 2π f , f — частота измерения). Это соотношение было выражено как « σ ∝ ω ^u » ( u — критический показатель) [48].На б, на основе известных данных в а. Когда точная линейная подгонка (отрегулированная R ² подгонки составляла 0,99) была сделана для данных в b, значение u могло быть достигнуто как 1,02 для образца. Как и ожидалось, это значение u (1,02) было намного выше, чем универсальное значение u (0,70) [48], предсказанное теорией перколяции. Разрыв между двумя значениями и был рассчитан равным 0.32, что может быть связано с вкладом наведенной поляризации в переменную проводимость этого образца. Следовательно, можно считать, что проводимость на переменном токе образца SiC-0,29 / ПВС складывается из двух частей, а именно прибл. 31% от поляризации, вызванной интерфейсом, и 69% от классической электрической перколяции. Чтобы еще раз доказать этот вывод, образец композита на основе ПВХ с 29 об.% SiC (сокращенно SiC-0,29 / PVC) был исследован с помощью аналогичного процесса, выполненного для образца SiC-0,29 / PVA выше, и соответствующие результаты для SiC -0.29 / PVC были выставлены в формате. а показывает результат измерения электропроводности на переменном токе в зависимости от частоты испытаний, а b подтверждает « u = 1,03» при R ² = 0,99 для образца SiC-0,29 / ПВХ. Удивительно, но значения и были очень близки к 1,00 в двух рассматриваемых случаях. Подводя итог, можно сказать, что вклад наведенной поляризации в проводимость композитов должен составлять ок. 30%. Свойство high-k нанокомпозитов в исходном состоянии является результатом синергии индуцированной поляризации (~ 30%) и электрической перколяции (~ 70%).

( a ) результат проводимости переменного тока подтвердил высокие изоляционные свойства для образца SiC-0,29 / ПВХ, а ( b ) линейная аппроксимация измеренных данных показала повышенное значение u 1,03 для этого образца, а также подтвердил вклад. индуцированной поляризации как ок. 30%.

3.4. Низкая зависимость электрических свойств от высокой частоты для ПВХ-композита

Недавно была подчеркнута и исследована низкая зависимость диэлектрических и проводящих свойств от частоты измерения для высокочастотных ориентированных диэлектрических материалов [49].В данном случае был выбран образец композита на основе ПВХ с наполнением 30 об.% SiC (SiC-0.30 / PVC) для изучения частотной зависимости его электрических характеристик, нацеленный на высокочастотный диапазон (1 МГц – 1 ГГц). Причина выбора концентрации SiC 30 об.% Заключалась в том, чтобы полностью использовать электрическую перколяцию, а причина выбора матрицы из ПВХ заключалась в достижении умеренной наведенной поляризации. В a были изучены четыре конкретные частоты (1 МГц, 10 МГц, 100 МГц и 1 ГГц), и было обнаружено небольшое снижение диэлектрической проницаемости композитов на основе ПВХ с увеличением частоты измерения.Было обнаружено, что диэлектрическая проницаемость на частоте 1 ГГц (около 239) уменьшилась всего на 10% по сравнению с диэлектрической проницаемостью на частоте 1 МГц (около 267). Таким образом, может быть подтверждена довольно низкая частотная зависимость диэлектрической проницаемости образца SiC-0.30 / PVC, а частоты варьируются от 1 МГц до 1 ГГц. Диэлектрическая проницаемость ок. 239 на частоте 1 ГГц показал многообещающее высокочастотное применение этого композита на основе ПВХ. Кроме того, соответствующие результаты по диэлектрическим потерям для этого образца были показаны в b. Аналогичным образом наблюдалось небольшое уменьшение результатов потерь при увеличении частоты.Было определено, что потери на частоте 1 ГГц (около 0,0074) уменьшились на 18% по сравнению с потерями на частоте 1 МГц (около 0,0090). Относительно низкая частотная зависимость потерь этого образца также может быть проверена для широкого диапазона частот (1 МГц – 1 ГГц). В большинстве случаев низкие потери всегда преследовались для высокочастотных применений диэлектрических материалов [50]. Эти довольно низкие потери (~ 0,0074) на очень высокой частоте 1 ГГц свидетельствуют об энергоэффективности образца SiC-0,30 / ПВХ.

( a ) Результаты измерения диэлектрической проницаемости показали низкую зависимость диэлектрической проницаемости SiC-0.Композит 30 / ПВХ на высокой частоте и данные о диэлектрических потерях ( b ) подтвердили низкую зависимость потерь этого композита от высокой частоты.

Помимо диэлектрических свойств, была также исследована частотная зависимость для свойства проводимости на переменном токе образца SiC-0.30 / PVC, как показано на a. Увеличение частоты измерения с 1 МГц до 1 ГГц приводит к небольшому увеличению проводимости образца по переменному току. Когда частота была увеличена с 1 МГц до 1 ГГц, было обнаружено, что проводимость образца по переменному току увеличилась на 19% (с 0.031 См · м ^-1 до 0,037 См · м ^-1 ). Это могло указывать на относительно низкочастотную зависимость электропроводности этого образца в широком высокочастотном диапазоне. В настоящее время желательна высокая теплопроводность диэлектрических материалов с высокочастотной ориентацией, что приводит к снижению вероятности теплового электрического пробоя [51]. Была получена зависимость между теплопроводностью при комнатной температуре и объемной концентрацией SiC для превосходной композитной системы SiC / PVC, как показано на b.Увеличение концентрации SiC приводит к увеличению теплопроводности образцов, что объясняется гораздо более высокой удельной теплопроводностью SiC (примерно 83 Вт · м ⁻¹ · K ⁻¹ ), чем у ПВХ. (примерно 0,14 Вт · м ^-1 · K ^-1 ) [52,53]. По мере увеличения концентрации SiC с 20 об.% До 30 об.% Теплопроводность композитов резко увеличивалась (с 0,35 Вт · м ⁻¹ · K ⁻¹ до 0,66 Вт · м ⁻¹ · K. ⁻¹ , увеличилось на 89%).Это можно проиллюстрировать образованием огромной сетки теплопроводности в композите вблизи порога перколяции (довольно близкого к 30 об.%) Наночастиц SiC с высокой теплопроводностью [54]. Обычно высокая теплопроводность материалов тесно связана с их высокой электропроводностью, что объясняет почти одинаковый порог перколяции (около 30 об.%) Как для электропроводности, так и для теплопроводности в существующих композитах SiC / PVC. Наибольшая теплопроводность для системы SiC / PVC была достигнута как 0.76 Вт · м ⁻¹ · K ⁻¹ (усиление примерно на 443% по сравнению с чистым ПВХ-материалом) при концентрации SiC 40 об.%. Следовательно, в композитной системе на основе ПВХ может быть достигнуто желаемое свойство относительно высокой теплопроводности.

( a ) данные по проводимости на переменном токе показали относительно низкую зависимость проводимости композита SiC-0.30 / ПВХ от высокой частоты, а результаты теплопроводности при комнатной температуре ( b ) предполагали образование сети теплопроводности и высокую теплопроводность для композитная система SiC / PVC.

3.5. Гипотетический синергетический эффект между индуцированной поляризацией и электрической перколяцией

В течение последних десятилетий нанокомпозитные диэлектрики high-k, основанные на электрической перколяции проводящих нанонаполнителей, добились большого успеха как на практике, так и в теории [22]. Множество исследований обнаружили довольно высокую диэлектрическую проницаемость в этих композитах при низкой испытательной частоте (например, 100 Гц), а не на высокой частоте (например, 1 МГц) [55]. Поэтому достижение желаемых свойств с высоким k и низкими диэлектрическими потерями (low tanδ ) в композитных диэлектриках на высоких частотах (1 МГц и даже 1 ГГц) остается огромной проблемой для исследователей.Для решения этой проблемы в данной работе была предложена простая стратегия сочетания традиционной электрической перколяции и новой индуцированной поляризации (последняя была предложена нами [56]). На основе оптимизированного синергизма между электрической перколяцией и умеренной индуцированной поляризацией (формирующейся на границе SiC / PVC) несколько желаемых свойств, обсуждаемых выше (таких как низкие диэлектрические потери, высокая прочность на пробой и высокая диэлектрическая проницаемость), были успешно достигнуты в исходном состоянии. Нанокомпозиты SiC / PVC.

In, был продемонстрирован гипотетический синергетический эффект между индуцированной поляризацией и перколяцией (на основе физической смеси SiC и полимера), способствующий высокому значению k, полученному в композитах в исходном состоянии. Чистые наночастицы SiC были определены как имеющие диэлектрическую проницаемость ( ε ₁ ) и проводимость ( σ ₁ ), а чистый полимерный материал обладал диэлектрической проницаемостью ( ε ₂ ) и проводимостью ( σ ₂ ). Обратите внимание, что σ ₁ > σ ₂ и ε ₁ > ε ₂ , из-за проводящей природы SiC и изолирующей природы полимера.После того, как SiC и полимер были физически смешаны с образованием композита, наночастицы SiC (рассеянные в полимерной матрице) имели новую диэлектрическую проницаемость ( ε ₃ ) и проводимость ( σ ₃ ), в то время как полимерный материал (как матрица композита) по-прежнему имела неизменную диэлектрическую проницаемость ( ε ₂ ) и проводимость ( σ ₂ ). Это может быть прояснено значительным увеличением общей полярности для наночастиц SiC и отсутствием значительного изменения общей полярности полимера во время процесса поляризации, индуцированной границей раздела [45].Обратите внимание, что σ ₃ > σ ₁ и ε ₃ > ε ₁ , приписываемые поляризации, вызванной границей раздела между SiC и полимером.

Схематическая диаграмма для физической смеси SiC и полимера демонстрирует гипотетический синергетический эффект между электрической перколяцией и поляризацией, индуцированной границей раздела, что способствует достижению свойства high-k, достигаемого в настоящих нанокомпозитных системах.

При увеличении объемной концентрации SiC (ниже порога перколяции) общая наведенная поляризация в композите постепенно увеличивалась [41].Это способствует увеличению диэлектрической проницаемости всего композита. Что еще более важно, повышенная проводимость наночастиц SiC (по сравнению с исходной проводимостью чистых наночастиц SiC, возникающая из-за поляризации, вызванной границей раздела SiC / полимер) приводит к более легкой электрической перколяции (более низкому порогу перколяции) для наночастиц SiC во всем композите. Другими словами, индуцированная поляризация может способствовать электрической перколяции. Что касается вклада в увеличение диэлектрической проницаемости композита, мы полагаем, что этот вид электрической перколяции с индуцированной поляризацией будет лучше, чем одиночная электрическая перколяция.Обратите внимание, что достаточно высокая объемная доля для фазы границы раздела SiC / полимер (введение большего количества наночастиц SiC ниже некоторой критической концентрации) должна быть необходима для эффективного формирования благоприятной индуцированной поляризации и сильного содействия электрической перколяции, упомянутой выше. Вблизи порога перколяции (трехмерные проводящие сети, сформированные по всему композиту, см.), Композит получит более многообещающие свойства с высоким значением k благодаря синергетическому эффекту между электрической перколяцией и индуцированной поляризацией.На пороге перколяции композит изменится с диэлектрика на проводник. В этом случае механизм проводимости во всем композите будет изменен, а именно с неомического механизма проводимости на омический. Когда концентрация SiC ниже порога перколяции, проводимость индуцируется на основе эффекта туннельного барьера (возникает между проводящими наночастицами SiC через тонкий слой полимерной матрицы). При этом он относится к механизму безомической проводимости, и композит имеет диэлектрическую природу.Как только концентрация SiC достигнет порога перколяции, все наночастицы SiC будут в точном прямом контакте друг с другом. При этом механизм омической проводимости полностью заменяет неомический, и композит имеет скорее проводящую, чем диэлектрическую природу. Наведенная поляризационная электрическая перколяция, предложенная в этой работе, приводит к более сильному поведению неомической проводимости и более высокой диэлектрической проницаемости в композите, чем для одиночной электрической перколяции.В заключение, в системе нанокомпозитов SiC / ПВХ были достигнуты высокие комплексные электрические свойства (включая высокую диэлектрическую проницаемость, низкие потери, низкую электрическую проводимость и высокую прочность на пробой), а также высокая теплопроводность на основе оптимизированного синергетического эффекта между мягкой индуцированной поляризацией. и электрическая перколяция с помощью индуцированной поляризации. Эта композитная система может дать несколько преимуществ в области высокочастотных композитных диэлектрических материалов.

Биоразлагаемые полимерные материалы в разлагаемых электронных устройствах

Аннотация

Биоразлагаемые
электроника имеет большой потенциал для уменьшения воздействия на окружающую среду
устройств и позволяют использовать передовые технологии мониторинга здоровья и лечения.Сложная биоразлагаемая электроника требует биоразлагаемых субстратов,
изоляторы, проводники и полупроводники, все из которых содержат
фундаментальные строительные блоки устройств. В этом обзоре будет проведен опрос
последние тенденции в стратегиях изготовления биоразлагаемых форм
каждого из этих компонентов. Полимеры, которые могут распадаться без
полный химический распад (тип I), а также те, которые могут быть переработаны
на мономерные и олигомерные строительные блоки (тип II).
Деградация типа I обычно достигается с помощью технических средств и материалов.
научно обоснованные стратегии, тогда как деградация типа II часто требует
сознательные синтетические подходы.Примечательно, нетрадиционный разлагаемый
связи, способные поддерживать конъюгацию на больших расстояниях, относительно
не исследованы, но могут позволить использовать полностью биоразлагаемые проводники и полупроводники
с бескомпромиссными электрическими свойствами. Хотя существенный прогресс
был сделан при разработке разлагаемых компонентов устройства, электрические
и механические свойства этих материалов должны быть улучшены перед
может быть реализована полностью разлагаемая сложная электроника.

Краткое резюме

Настоящий обзор
исследует последние тенденции в области химии и инженерных стратегий
используется для изготовления биоразлагаемых полимерных подложек, изоляторов, проводников,
и полупроводники для биоразлагаемой электроники.

1. Введение

По мере того, как электроника становится
более интегрированы в нашу повседневную жизнь, растет спрос
для быстротечности: способность технологий взаимодействовать с природой
не оставляя постоянного следа. Проводящие, полупроводниковые, диэлектрические,
а полимеры-подложки — это естественный мост между электроникой и
мягкое вещество, потому что обширное пространство химического дизайна для полимеров позволяет
возможность настройки электронных, механических и переходных свойств (A). Возможность настройки
внутренних свойств полимера способствует развитию
передовой биоразлагаемой электроники, так как это позволяет обойтись без
использовать сложные архитектуры и шаблоны для достижения желаемых свойств.

(A) Биоразлагаемый
Электроника имеет множество многообещающих применений в организме и
окружение. Типичное электронное устройство, подобное изображенному
на этом листе состоит из четырех основных классов материалов: полупроводников.
(синий), проводники (серебро), диэлектрики (оранжевый) и подложки
(светло-зеленый). (B) Как правило, биоразлагаемые материалы с желаемым
электронные свойства состоят из активного материала (темно-синий), диспергированного
в биоразлагаемой матрице (голубой). Например, диэлектрик
материалы могут использовать наполнители с высокой диэлектрической проницаемостью в качестве активных материалов,
в то время как полупроводники и проводники используют сопряженные полимеры в качестве активных
материалы, которые обеспечивают пути электронной проводимости в матрице.Независимо от своих электронных свойств, биоразлагаемые материалы
Обсуждаемые в этом обзоре, можно разделить на две категории.
Материалы типа I разлагаются, но только матрица, которая
скрепляет неразлагаемые активные материалы, может полностью разрушаться
вниз на мелкомолекулярные строительные блоки. С другой стороны, оба
матрица и активные материалы, содержащие материалы типа II, могут быть
полностью распадается на мономеры или олигомеры. Потому что материалы типа II
полностью биоразлагаемы, они потенциально также могут быть переработаны.

Хотя термин «биоразлагаемость»
не является единогласным во всей литературе, минимальный консенсус
в том, что биоразлагаемые материалы можно разбить на более мелкие составляющие
кусочки при биологически благоприятных или физиологических условиях. Для многих
применения, полное разложение полимеров на их мономерные
строительные блоки не нужны, и простой распад устройств
достаточно, чтобы уменьшить потребность в инвазивном и дорогостоящем извлечении
процедуры. В этом обзоре материалы, демонстрирующие переходное поведение
будем называть типом I (B).

Распадающиеся материалы (тип I) могут иметь
большое влияние на биомедицинскую сферу, особенно на фундаментальные исследования,
терапия и доставка лекарств. ¹ Четный
для регистрации и передачи могут использоваться слабопроводящие материалы.
биологические электрические сигналы, свойство, которое было использовано
успешно для приложений тканевой инженерии. Мимолетность на
тот же масштаб времени, что и заживление или регенерация, имеет решающее значение для таких приложений in vivo , поскольку существует опасность неразлагаемых каркасов
вызывая хроническую воспалительную реакцию. ^2,3 В более длинном
термин, разлагаемые сложные имплантированные устройства позволят избежать удаления устройства
операции, снижающие вероятность заражения. ⁴ Для любого применения in vivo материал
и продукты его распада не должны быть цитотоксичными и способны
утилизация организмом посредством таких процессов, как фагоцитоз, метаболизм,
или биоабсорбция. ^5,6

Внешний вид, тип
Устройства, спроектированные для работы в определенном временном масштабе, могут позволить
новые возможности зондирования для массового сбора данных без
постоянное воздействие на окружающую среду.В частности, ICARUS (входящий, контролируемый,
Air-Releasable, Unrecoverable Systems) программа, запущенная Министерством обороны
Агентство перспективных исследовательских проектов (DARPA) стремится создать исчезающие
системы, которые могут быть развернуты с помощью самолетов на труднодоступные территории
где ручное восстановление было бы непомерно сложным и дорогим. ⁷ Для таких применений биоразлагаемость влечет за собой
что материал должен быть полностью преобразован микроорганизмами в биомассу
и газы в масштабе времени, сравнимом с типичной обработкой сточных вод и отходов
жизни. ⁶

За пределами макроскопической деградации,
молекулярное расщепление основной цепи полимера на олигомеры и
мономеры обеспечивают дальнейшее разложение микроорганизмами в окружающей среде
или через иммунологические механизмы в организме. В конечном итоге это больше
полное химическое разложение, которое будет называться типом II,
имеет решающее значение для создания экологически безопасных устройств, полностью пригодных для вторичной переработки.
материалы (B).

Биоразлагаемая электроника типа II может помочь уменьшить
Экологически важная проблема утилизации электронных отходов, которая
обострилась по мере того, как электроника стала более дешевой и
повсеместно, что приводит к загрязнению почвы и водоснабжения. ⁸ Ожидается, что эта тенденция усилится с
появление технологий, способствующих развитию Интернета вещей. Более того,
материалы, которые могут разлагаться на биологические или естественные постройки
блоки очень востребованы из-за их внутренней биосовместимости,
биоразложение и возможность вторичной переработки. Хотя еще предстоит значительная работа
необходимо сделать, чтобы полностью понять жизненные циклы новых разработанных материалов,
как в окружающей среде, так и в организме, материалы типа II, которые
может распадаться на известные биосовместимые небольшие молекулы с меньшей вероятностью
вызывать отрицательные долгосрочные ответы.

В этом обзоре представлены общие химические процессы, используемые при создании
биоразлагаемые полимеры, и выделим конкретные примеры полимеров
которые не только биоразлагаемы, но и могут использоваться в электронных
устройства в качестве подложек, диэлектриков, проводников или полупроводников.

2. Общие химические составы, используемые для биоразлагаемых материалов

Биоразлагаемые полимеры включают материалы природного и синтетического происхождения.
полимеры. Среди материалов природного происхождения — полисахариды растительного происхождения.
(е.g., целлюлоза, альгинат, декстран) и полимеры животного происхождения (например,
коллаген, шелк, хитозан) использовались для временных применений
из-за их внутренней ферментативной разлагаемости. Однако эти материалы
может демонстрировать высокие вариации от партии к партии и, как правило, иметь присущие
биоактивность, которая может вызывать иммуногенный ответ при введении
в тело. ³ И наоборот, синтетические полимеры
обычно демонстрируют более предсказуемые физические свойства и деградацию
профили, которые могут быть созданы химическим путем, и, как правило, биологически
инертный. ³ Широко используемый синтетический биоразлагаемый
полимеры (например, полилактид, PLA; поликапролактон, PCL; полигликолид,
PGL) содержат сложноэфирную связь, способствующую гидролитическому разложению. ⁹ Прочие химические и ферментативные гидролитические
разлагаемые фрагменты включают амид, тиоэфир, ангидрид, карбонат,
мочевина, уретановая, имидная и иминная связи, которые служат центрами на
полимерный каркас для расщепления в биологически благоприятных условиях
(А). В то время как
были сообщения о ферментативном расщеплении углерод-углерод
связи и потенциал других фрагментов (например,г., сульфаниламиды, фосфонаты,
простые эфиры), подверженные гидролизу каталитической кислотой или основанием (C), большая часть литературы
связанных с электронными биоразлагаемыми полимерами, до сих пор
для использования вышеупомянутых гидролизуемых связей для разложения в
физиологические, водные условия.

Химическая промышленность
структуры фрагментов, подверженных гидролизу (А) и окислению
(B) показаны. Гидролизуемые связи и участки окислительной атаки:
выделен красным и отмечен звездочкой. (C) Гидролиз сложного эфира
может происходить химически (кислота или основание) или ферментативно.Механизм
для кислотно-катализируемого гидролиза показано, где сложноэфирная связь разорвана
с образованием побочных продуктов — карбоновой кислоты и спирта. (D) деградация ПВС
запускается окислением 1,3-диолов в основной цепи, что может
катализироваться либо вторичной алкогольоксидазой (SAO), либо периплазматической
Дегидрогеназа ПВС (ПДГ). Итеративное окисление и дальнейшая деградация
альдолазой и β-дикетон гидролазой вдоль основной цепи ПВС
приводят к простым побочным продуктам, таким как уксусная кислота. Изображение адаптировано с
разрешение из ссылок (10) и (11).авторское право
2008 Woodhead Publishing и 2014 Wiley.

Скорость гидролиза зависит от химической архитектуры
и морфология полимера, а также состав и температура
окружающей среды. Скорость разложения обычно увеличивается
с частотой гидролизуемых групп, гидрофильностью и доступностью
площадь поверхности (т.е. объемная деградация происходит быстрее, чем эрозия поверхности). ¹⁰ Скорость разложения обычно уменьшается с увеличением
кристалличность и плотность сшивки, которые ограничивают скорость
поглощения воды.Более того, обычно происходит разложение, катализируемое ферментами.
через поверхностную эрозию, поскольку ферменты часто слишком велики для разложения
поверхности в объеме полимера. ¹⁰ С учетом этих параметров время деградации
обычные синтетические биоразлагаемые материалы можно настроить за несколько дней
до нескольких лет. ^3,5

Дополняет гидролиз, окисление
это биологически значимый механизм, с помощью которого полимеры могут быть разрушены
вниз химически и ферментативно.Активированные фагоциты, такие как макрофаги,
которые играют большую роль в заживлении ран, выделяют свободные радикалы в
форма активных форм кислорода или азота, которые могут инициировать
деполимеризация полимеров окислением. ¹⁰ Простые эфиры, спирты, альдегиды, амины, фенолы и атомы углерода
замещенный алифатической цепью, ароматическим циклом или аллильными атомами углерода
все они подвержены окислительному расщеплению (B). ¹⁰ Например,
поли (виниловый спирт) (ПВС) — это биоразлагаемый полимер, состоящий из
1,3-диолов и может разлагаться микробным окислением и ферментативным
гидролиз в конечном итоге до побочных продуктов уксусной кислоты (D). ¹¹ На сегодняшний день механизм окисления не изучен до конца.
для электронных полимерных приложений; Тем не менее, важно отметить
что набор инструментов, доступный дизайнерам материалов, включает в себя больше
чем гидролизуемые связи.

3. Биоразлагаемые полимерные компоненты
для органической электроники

Полимеры, используемые в органической электронике
можно разделить на две большие категории: (i) изоляторы и (ii)
сопряженные, проводящие полимеры. Изоляторы функционируют как подложки
или диэлектрики в электронных устройствах, тогда как сопряженные полимеры
функционируют как полупроводники или проводники.Выбор полимера
для подложки ограничивается в первую очередь совместимостью с устройством
обработки, в то время как диэлектрические изоляторы также должны быть поляризуемыми
электрическим полем. Сопряженные полимеры могут быть полупроводниковыми.
или проводящие, в зависимости от их уровня Ферми. Следующие разделы
обсудит химические и инженерные стратегии, используемые для преодоления
проблемы, связанные с созданием биоразлагаемых аналогов
из этих четырех типов материалов.

3.1. Биоразлагаемые субстраты

Субстраты обычно составляют большую часть веса в
устройство с толщиной в микрометрах по сравнению с другими компонентами
толщина может составлять сотни нанометров. ¹² Следовательно, подложки в значительной степени определяют общий характер деградации
устройства. Следовательно, переходные устройства были продемонстрированы
которые включают тонкие, растворимые слои неорганических полупроводников
(например, Si), диэлектрик (например, SiO ₂ , MgO) и проводящий
компоненты (например, Mg, Fe) на полностью разлагаемых подложках. ^12,13 Очевидно, выбор подложек с желаемыми профилями деградации
имеет важное значение для разработки биоразлагаемых устройств.

Ассортимент
биоразлагаемые изоляционные материалы, которые можно использовать в качестве подложек
ограничено совместимостью с технологией изготовления устройства
шаги, требующие рассмотрения термической стабильности, растворителя
совместимость и механическая надежность. ¹⁴ Изготовление устройств часто включает процессы фотолитографии и травления,
которые могут подвергать материалы воздействию высоких температур или агрессивных химических веществ.
растворители. Чтобы избежать этих условий, целевой субстрат может
путем отделения от этапов обработки путем передачи устройств на
подложка после изготовления. В качестве примера этой стратегии Хван
и коллеги продемонстрировали общий метод трансферной печати на
изготовить дополнительный металл-оксид-полупроводник
(CMOS) матрица на различных синтетических биоразлагаемых подложках, таких как
полимолочная- co -гликолевая кислота (PLGA), PCL и рис
бумага (А). ¹² В процессе использовались устройства для создания рисунка на
жертвенный слой полиметилметакрилата (ПММА) на кремнии,
а затем нанесение сверху слоя разбавленного полиимида (D-PI). К
протравливание отверстий в верхнем слое D-PI, слой PMMA может быть обнажен
для растворения, таким образом освобождая устройства для извлечения PDMS
штамп для переноса на желаемую разлагаемую основу. Авторы
использовал эту технику для изготовления датчика переходной гидратации, сделанного
с растворимыми компонентами Si, SiO ₂ и Mg на PLGA, которые
может использоваться для наблюдения за заживлением ран, для чего требуется адекватная гидратация
имеет решающее значение.В то время как растворимые неорганические компоненты разлагаются на
порядка дней при физиологических условиях (PBS, 37 ° C),
Подложка PLGA разлагалась в течение нескольких месяцев. Авторы использовали
эта разница во времени деградации для создания надежной, но переходной
датчик, который использовал деградацию неорганических элементов в качестве чувствительного
механизм. Авторы критически продемонстрировали, что производительность устройства
до и после переноса на разлагаемые субстраты были сопоставимы. ¹² Подобные стратегии, основанные на передаче, также имеют
сообщалось о переходных устройствах на основе кремния на ПВС (B), шелке и целлюлозе. ¹⁴⁻¹⁶ Обобщенный характер стратегий на основе переноса позволяет субстрату
скорость деградации настраивается с относительной легкостью.

(А) Схема общего
процесс переноса устройств, изготовленных на временных кремниевых подложках
в конечный биоразлагаемый субстрат. Метод передачи позволяет
широкий выбор материалов подложки, хотя может страдать от ограниченного
масштабируемость. (B) Фотографии, демонстрирующие растворение биоразлагаемого
устройство на подложке ПВС в воде с течением времени.Шкала 5 мм. (C,
D) Химические структуры некоторых распространенных биоразлагаемых материалов субстрата.
Целлюлоза (C) — это материал природного происхождения, часто используемый в качестве
субстрат из-за его гибкости и термостойкости. Создать
ультратонкие целлюлозные пленки, можно обрабатывать жертвенным триметилсилилом
группы, которые могут быть удалены путем гидролиза с образованием пленок толщиной до
800 нм. Поли (октаметиленмалеат (ангидрид) цитрат) (POMaC) (D)
синтетический биоразлагаемый эластомер, который можно использовать в качестве растягивающегося
субстрат.Изображения адаптированы с разрешения ссылок (12, 15, 17 и 23). Авторское право 2014 Wiley, 2014 AIP, 2017 National
Академии наук и Королевского химического общества 2010 года.

Шелк шелкопряда широко исследовался как
ферментативно разлагаемый биоматериал, потому что он хорошо охарактеризован
скорость разложения в воде можно легко регулировать на несколько порядков
величина, контролируя его степень кристаллизации через β
листовое формирование. Высококристаллический, медленно разрушающийся шелк имеет тенденцию к
быть хрупким и сложным в обращении, в то время как менее кристаллический шелк имеет тенденцию
быть более гибким, но несовместимым с водной обработкой
шагов из-за высокой скорости деградации.Этот компромисс обычно ограничивает
изготовление устройства на шелковых подложках с использованием трансфера
методы печати. ¹⁷ Хван и сотрудники
использовал метод трансферной печати для изготовления микронагревателей на основе кремния
на шелке, который разлагается через 15 дней при переходной термотерапии до
предотвратить инфекции после операции. ¹³

Также были исследованы бумаги, состоящие из целлюлозных нановолокон (CNF).
в качестве биоразлагаемых, биоразлагаемых субстратов. Целлюлоза получается из
древесина и обладает такими преимуществами, как гибкость, прозрачность и стабильность
при высоких температурах (С).Кроме того, было показано, что целлюлозные подложки
медленно разлагаются, порядка месяцев, в присутствии естественного
встречающиеся грибки, что говорит о том, что они могут быть использованы в быту.
электроника с уменьшенным воздействием на окружающую среду. ¹⁶ В то время как методы трансферной печати использовались для изготовления
биоразлагаемые и гибкие устройства на подложках из CNF, прямое изготовление
на подложки предпочтительнее для масштабируемости. ¹⁶ Термическая стабильность бумаги CNF позволила Hsieh и соавторам
для прямой печати и отжига проводящих серебряных линий на этих разлагаемых
подложки, демонстрируя свой потенциал для производства рулонов. ^18,19

Подложки на основе целлюлозы обычно превышают несколько микрометров
по толщине, предотвращая изготовление ультратонких устройств, которые
желательны для повышения гибкости и более быстрой деградации. Наш
группа недавно разработала метод производства целлюлозных подложек
толщиной до 800 нм. Использовали функционализированный триметилсилилом
целлюлоза, с которой можно гидролитически снять защиту, чтобы уменьшить пленку
толщина на одну треть (C). Подложки из гидролизованной целлюлозы показали высокую термическую стойкость.
и стабильность органических растворителей, что позволяет напрямую изготавливать устройства
на целлюлозе. ¹⁷

Хотя вышеупомянутое
биоразлагаемые субстраты могут обладать гибкостью, когда они достаточно
тонкий, улучшенная интеграция с динамическими поверхностями требует
разработка растяжимых и эластичных субстратов. ^20,21 Такие соображения особенно важны для носимых и
имплантируемая электроника, которой может потребоваться приклеивание к динамическим поверхностям
как сердце и мозг. Для этих целей используются эластомеры на основе полиэфира.
сшитые сложноэфирными связями, такими как поли (диолцитраты) и поли (глицерин)
себацинат) (PGS), являются привлекательными синтетическими биоразлагаемыми субстратами.
получено из натуральных материалов, таких как лимонная кислота. ^22,23 Эластичные нестационарные датчики pH и электрофизиологические датчики на основе Si
были изготовлены из поли (1,8-октандиол- со -цитратом)
(POC) с использованием трансферной печати, и наблюдалось полное растворение
после погружения в PBS (pH 10) при комнатной температуре через 12 часов. ²⁴ Чтобы избежать длительной термической конденсации
отверждения, эти эластомеры можно дополнительно сделать фото-сшиваемыми
введением малеинового ангидрида с получением поли (октаметиленмалеата)
(ангидрид) цитрат) (ПОМАС) (D). ²³ Похожие стратегии
может использоваться с другими синтетическими разлагаемыми полимерами для расширения
диапазон доступных материалов, чтобы сделать растяжимые и разлагаемые
подложки. ^25,26

3.2. Биоразлагаемый
Диэлектрики

Диэлектрические полимеры — это изоляторы, которые можно
поляризованный электрическим полем. Ключевые показатели качества — диэлектрические.
константа (κ), которая должна быть высокой или низкой в ​​зависимости от приложения;
низкие диэлектрические потери для минимального рассеивания электромагнитной энергии;
и высокое напряжение пробоя для стабильности.Диэлектрики используются для
производят конденсаторы и поэтому имеют важное применение в емкостных
чувствительные и полевые транзисторы (FET).

В транзисторах,
Для обеспечения работы при более низком напряжении желательна большая емкость на единицу площади.
Емкость на площадь прямо пропорциональна κ и обратно
пропорциональна толщине изолятора бездефектной пленки. Таким образом,
обработка, а также соображения внутренних свойств материала
Важно выбрать правильный диэлектрик. κ зависит от числа
поляризуемых групп в материале и имеет частотную зависимость
в осциллирующем электрическом поле, связанном с временной зависимостью
механизмов поляризации.Часто κ указывается для статического
поля, хотя большая часть электроники фактически работает в высокочастотном
режим (> ГГц). ²⁷ Пока высокий κ
диэлектрики помогают предотвратить значительный ток утечки при масштабировании
вниз полевые транзисторы, они, как правило, также имеют более низкие скорости переключения, чем с низким κ
материалы. Кроме того, поскольку рассеиваемая мощность переменного тока пропорциональна
Из-за емкости могут потребоваться диэлектрики с низким κ для снижения мощности
потребление. ²⁷ Есть большое разнообразие
биоразлагаемых материалов и инженерных методов, доступных для подготовки
диэлектрические материалы с заданными свойствами для конкретных приложений.

Общая стратегия создания биоразлагаемых диэлектриков заключается в включении
наполнители с высоким κ в разлагаемую полимерную матрицу. Обычный высокий-κ
оксиды металлов включают SiO ₂ (κ = 3,9), оксид алюминия
(Al ₂ O ₃ , κ = 9) и оксид гафния (HfO ₂ , κ = 25). Например, Al ₂ O ₃ добавки
были использованы для настройки диэлектрической проницаемости разлагаемой целлюлозы.
ацетат, что приводит к высокому значению κ 27,57 при низкой частоте
(50 Гц) (А). ²⁸ Помимо оксидов металлов, углеродные нанотрубки также
улучшил κ на частоте 1 кГц бумаги, изготовленной из биоразлагаемых УНВ
по 3198 (B). ²⁹ Эти композиты обладают общей быстротечностью
за счет деградации матрицы при достижении настраиваемой диэлектрической проницаемости.

(А, В)
Диэлектрическая проницаемость разлагаемых композитов может быть увеличена.
за счет включения добавок с высоким κ, таких как Al ₂ O ₃ (A) и углеродных нанотрубок (CNT) (B). (C) ДНК можно обрабатывать в растворе
в тонкие пленки путем образования комплекса с катионными поверхностно-активными веществами, такими как гексадецилтриметиламмоний
хлорид (CTMA).(D) Структуры азотистых оснований ДНК, используемые в качестве тонкой пленки.
диэлектрики в ОФЭТ. (E) Пирамидальные микроструктуры повышают чувствительность
емкостных датчиков давления из эластомерного диэлектрика
PGS. Матрицы датчиков давления, изготовленные из этих устройств, способны
обнаружения присутствия рисового зерна 5 мг. Изображения адаптированы
с разрешения авторов (28, 29, 32, 33 и 37). Авторские права 2017 Springer, 2016
Королевское химическое общество, 2010 Wiley, 2010 Springer и 2015 Wiley.

Чтобы избежать использования неорганических
наполнители, волокна на растительной основе (например,г., хлопок, джут, бамбук и банан
волокна) представляют собой натуральные полимеры, которые по своей сути обладают практичными
диэлектрические свойства. Волокна растительного происхождения состоят в основном из целлюлозы.
и лигнин, которые содержат большое количество свободных гидроксильных групп, которые придают
полярность, что приводит к высоким значениям κ. Например, хлопковые волокна.
имеют диэлектрическую проницаемость 17 в диапазоне частот 60–1000
Гц. ³⁰ Волокна банана, джута и бамбука имеют
также были включены в диэлектрические композиты с диэлектрическими
постоянное увеличение с увеличением содержания волоконной добавки. ³¹

Сахара, такие как глюкоза и лактоза, также являются многообещающими природными диэлектриками,
с диэлектрической проницаемостью 6,35 и 6,55 на частоте 1 кГц соответственно,
высокие пробивные напряжения 1,5 МВ / см и 4,5 МВ / см соответственно,
и малый тангенс угла потерь порядка 10 ^–2 при 100
мГц. Кроме того, сахара эффективны при образовании пленок без отверстий.
при обработке из водных и / или ДМСО растворов. OFET изготовлено
с сахарными диэлектриками и фуллереном в качестве полупроводника
минимальный гистерезис и емкость на площади 6.8 нФ / см ² для лактозы и 2,15 нФ / см ² для глюкозы. ³²

ДНК и ее предшественники
также были исследованы как диэлектрики затвора. Сделать раствор ДНК пригодным для обработки
для обработки тонких пленок может быть в комплексе с катионным поверхностно-активным веществом
гексадецилтриметиламмоний хлорид (CTMA) (C). ³³⁻³⁶ Однако OFET с диэлектриками ДНК-CTMA имеют значительную
гистерезис из-за наличия примесей подвижных ионов. ^32,34 Юмусак и его сотрудники стремились ограничить ионную подвижность путем сшивания
ДНК-CTMA с поли (фенилизоцианатом) — co -формальдегидом,
что приводит к уменьшению гистерезиса и повышению механической прочности,
хотя и с относительно низкой емкостью на единицу площади 0.8 нФ / см ² . ³⁴ Альтернативный способ устранения гистерезиса
заключается в прямом использовании азотистых оснований ДНК, которые можно очищать и вакуумировать.
превращаются в пленки толщиной до 2,5 нм, поскольку они представляют собой небольшие молекулы
(D). ОФЕТ
изготовлены из тонких пленок гуанина и цитозина, прошедших вакуумную обработку.
продемонстрировали низкие потери в диапазоне 10 ^–3 при
100 мГц, а диэлектрическая проницаемость и напряжение пробоя сопоставимы
к глюкозе и лактозе. В частности, высокая емкость на единицу площади.
выполнено в ОФЭТ: 9.25 нФ / см ² для гуанина и 13,8
нФ / см ² для цитозина. ³²

Помимо натуральных материалов, синтетические биоразлагаемые полимеры, такие как
PGS также демонстрируют полезные диэлектрические свойства. Эластичные материалы, такие как
PGS особенно полезны для емкостных датчиков, поскольку они могут больше
обратимо выдерживают сжатие, чем более вязкоупругие альтернативы.
Ранее мы сообщали о полностью разлагаемых емкостных датчиках давления.
состоящий из пирамидальных микроструктур PGS в виде диэлектрических прослоек.
между биосовместимыми электродами из коррозионно-стойких металлов Mg и
Fe.Поскольку несшитый PGS представляет собой раствор вязкого полимера, он может
легко формировать структуру для образования структурированных диэлектриков путем термического отверждения
после заливки в форму. Высокочувствительные датчики давления могут
обнаружение 5 мг рисового зерна (E) с приблизительным разложением in vivo
норма 0,2–1,5 мм в месяц. ³⁷ Далее
возможность настройки механических свойств разлагаемых диэлектриков
поможет создать новые конструкции датчиков и растягиваемые устройства, которые лучше
соответствуют динамическим поверхностям.Дополнительно следует отметить, что
большинство перечисленных диэлектриков исследовались при относительно
низкие рабочие частоты (<кГц). Для возможного использования в более сложных электронные устройства, дополнительная проработка и оптимизация ВЧ требуется производительность биоразлагаемых диэлектриков.

3.3. Биоразлагаемые проводники

Конъюгированные полимеры, имеющие
легированные в проводящее состояние используются для межсоединений устройств
и контакты. Обычно они характеризуются своей проводимостью.
(σ).Помимо подключения различных компонентов в электронном
цепи, они также могут соединять электрически чувствительные объекты внутри
тело, такое как нейроны и сердечные клетки. Поскольку допинг требуется
сделать конъюгированные полимеры проводящими, биосовместимостью
также необходимо учитывать процесс допинга. Общие конъюгированные
полимеры, которые стабильны в своем легированном, проводящем состоянии, представляют собой полипиррол
(PPy), полианилин (PANI) и поли (3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT),
с проводимостью до 4.6 × 10 ³ См / см при
с добавкой поли (стиролсульфоната) (PEDOT: PSS). ³⁸

Электронная проводимость в проводящих полимерах возникает
через жесткие сопряженные области. В результате полимер с высокой проводимостью
пленки часто бывают хрупкими и жесткими. Это внутреннее механическое ограничение
сопряженных полимеров можно преодолеть, так как отличные электрические
свойства могут быть достигнуты при низких концентрациях конъюгированного
полимер в композите. ^39-41 Аналог диэлектрическим композитам,
одна стратегия для биоразлагаемых проводящих полимеров заключается в смешивании конъюгированных
полимеры с биоразлагаемыми изоляционными полимерами.Проводящие композиты
сделанные таким образом, проявляют деградацию типа I и способны распадаться
даже если полимеры не могут быть полностью разложены на их мономерные
составляющие. Поскольку электронный компонент не разлагается,
цель состоит в том, чтобы максимизировать электрическую проводимость при минимизации
относительная концентрация неразлагаемого конъюгированного компонента.

Диспергирование наночастиц сопряженного полимера в биоразлагаемом
полимерная матрица является привлекательным подходом к смешиванию, так как легирование
сопряженный полимер может быть выполнен ортогонально. ^42-44 Отличительный
из биоразлагаемых диэлектриков проводящий наполнитель должен быть выше
порог перколяции, достаточный для формирования проводящих путей
внутри изоляционного узла. Поскольку минимизация доли наночастиц
важно для достижения высокой разлагаемости, эта стратегия полезна
для приложений, где не требуется высокая проводимость, например,
умеренная электрическая стимуляция для стимулирования роста клеток и тканей
регенерация. ⁴⁵ С момента регенерации тканей
обычно происходит от 1 до 2 месяцев, эти типы материалов
в идеале должен распадаться в аналогичных временных масштабах. ⁴²

Ранний образец проводящих композитов, приготовленных
в этом методе задействованы наночастицы PPy, которые являются проводящими, когда
легирован окислением (E). ⁴⁶ В 2004 году Ши и сотрудники
продемонстрировали повышенную регуляцию роста фибробластов на композитах из полипропилена.
наночастицы в поли (d, l-молочной кислоте) (PDLLA).
Окисленные наночастицы PPy полимеризовали в эмульсии в присутствии
FeCl ₃ . В PDLLA была сформирована проводящая сеть.
матрица из-за агрегации наночастиц PPy, и авторы
сообщили о высокой проводимости 1 × 10 ^–3 См / см при загрузке всего 3% полипропилена.Композит смог выдержать
обнаруживаемый постоянный ток при физиологических условиях в течение 1000 ч, приближающийся к
требования к тканевой инженерии. ⁴²

(А)
СЭМ-изображение электропряденых волокон PLGA, покрытых PPy, (B), которые показывают
усиленный рост и стимуляция клеток PC12 по сравнению с непокрытыми
единицы. (C) SEM изображение лиофилизированного биоразлагаемого гидрогеля, изготовленного из
желатин с привитым полианилином. (D) ПЕДОТ, допированный гиалуроновой кислотой
(PEDOT-HA) увеличивает скорость разложения композитов PEDOT-HA / PLLA
путем введения дополнительных гидрофильных доменов.(E) PPy легирован
окислитель, такой как FeCl ₃ . (F, G) Проводящий без примеси
полиуретан (DCPU), содержащий олигомеры анилина, самодегируется
включение диметилолпропионовой кислоты в основную цепь. Результирующий
биоразлагаемые эластомеры также обладают высокой растяжимостью. Изображения адаптированы
с разрешения авторов (44, 46, 49, 61 и 64). Авторские права 2017 Elsevier, 2015
Springer, 2009 г., Elsevier, 2014 г., Королевское химическое общество, и 2016 г.
авторы работы (64).

Точно так же Ван и коллеги
усиление нервного разрастания нейроноподобной феохромоцитомы (PC12)
клетки путем культивирования на проводящем композите с допированной гиалуроновой кислотой
Наночастицы PEDOT (PEDOT-HA) в поли (l-молочной кислоте)
(PLLA) с проводимостью до 4.7 × 10 ^–3 См / см при 10% -ной загрузке наночастиц. Авторы охарактеризовали
биоразложение их композитов путем исследования как разложения
скорость пленки и цитотоксичность промежуточного продукта разложения
продукты. Присутствие PEDOT-HA ускоряет деградацию
PLLA на 10% через 8 недель, что, как они постулировали, можно объяснить
к увеличению проникновения воды за счет гидрофильных доменов HA
(D). Кроме того,
они определили, что PEDOT-HA / PLLA во время разложения не показали значительных
цитотоксическое воздействие на рост и жизнеспособность клеток PC12.Фактически, ячейка
жизнеспособность была сопоставима, если не лучше, чем с одним PLLA, поскольку
PLLA гидролизуется до молочной кислоты, которая в некоторой степени токсична. ⁴⁴

Электропрядение — эффективный метод
для создания трехмерных связанных волокнистых пористых структур с диаметром волокон
от сотен нанометров до нескольких микрометров, что
особенно выгодно для применений, связанных с ростом клеток. ^47,48 Биоразлагаемые проводящие каркасы были сформированы методом электроспиннинга.
биоразлагаемые полимеры и последующая полимеризация проводящих мономеров in situ . ^49,50 Например, in situ полимеризация пиррола в присутствии биоразлагаемого PLGA
каркас привел к усилению роста и дифференцировки клеток PC12
по сравнению с контролями из PLGA без покрытия (A, B). ⁴⁹ В качестве альтернативы,
проводящие полимеры также могут быть спрядены с биоразлагаемыми полимерами
формировать проводящие волокна. ^51,52 Например, ПАНИ
с примесью камфорсульфоновой кислоты (CPSA) спрядили с желатином до
дают волокнистые листы с проводимостью до 2.1 × 10 ^–2 См / см. ⁵¹ Аналогично, CPSA-допированный PANI cospun
с поли (l-лактид- co -ε-капролактон)
(PLCL) показал удельную электропроводность 1,38 × 10 ^–2 См / см с 30 мас.% PANI. Электростимуляция фибробластов и
миобласты на этих проводящих волокнистых каркасах усиливают адгезию
и распространение. ⁵²

Биоразложение типа II
может быть достигнуто путем нарушения сопряжения, когда гибкие, но не сопряженные
линкеры размещены вдоль основной цепи полимера.Нарушители конъюгации
были использованы для улучшения обрабатываемости и механических свойств
проводящих и полупроводниковых полимеров с минимальным компромиссом
производительности устройства. ⁵³⁻⁵⁶ Аналогично полимеры типа II с короткими сопряженными группами, связанными
к биоразлагаемым элементам демонстрируют приличные характеристики переноса заряда.
Конъюгированные олигомеры можно рассматривать как биосовместимые продукты разложения,
так как они достаточно малы, чтобы их могли фагоцитировать макрофаги, которые
естественным образом мигрируют в места имплантации как часть тела
врожденный иммунный ответ. ^57,58 На сегодняшний день провод II типа
полимеры не обладают такой высокой проводимостью, как их аналоги типа I.
(Таблица 1). Из-за их
с низкой проводимостью, проводники типа II, разработанные таким образом
far в первую очередь полезны для регистрации и стимулирования малых биоэлектронных
сигналы. Лучший контроль над химией, допингом и морфологией
из этих материалов должны помочь закрыть разрыв с проводниками типа I.
и приблизиться к проводимости, необходимой для изготовления высокопроизводительных
электроника.

Таблица 1

Электропроводность различных биоразлагаемых
Электропроводящие полимерные материалы ^a

0 См / см

S / см 59)

Риверс и его сотрудники сообщили о биоразлагаемом полимере
состоящий из тримеров пиррол-тиофен-пиррола и
алифатические цепи, связанные сложноэфирными связями.Сообщалось о проводимости 10 ^–4 См / см при легировании йодом, а также о разложении.
продукты были обнаружены через 2 недели в PBS при температуре тела (37
° C) в присутствии фермента эстеразы. Исследования биосовместимости in vivo подтвердили, что как пленки, так и их
продукты разложения нетоксичны, хотя примесь йода была обнаружена
быть цитотоксичным. ⁵⁹ Чтобы избежать использования йода,
Гимар и его сотрудники легировали сополимер на основе тиофенового олигомера.
с нетоксичными ионами FeCl ₃ и Fe (ClO ₄ ) ₃ .Пока измерения проводимости не проводились, успешно
легирование было выведено из окислительно-восстановительной активности с использованием циклической вольтамперометрии и
поляронные состояния, наблюдаемые с помощью УФ-видимой спектроскопии. Важно отметить, что исследования совместимости in vitro с использованием шванновских клеток продемонстрировали
почти 100% жизнеспособность клеток по сравнению с контролем. ⁶⁰

Олигомеры анилина привлекательны еще и тем, что
относительно простой синтез. ⁴⁷ Хотя
олигомеры анилина обладают более низкой проводимостью, чем их PPy и
Аналоги PEDOT, материалы на основе анилина, легированные CPSA, имеют достаточно
проводимости, чтобы служить проводящим каркасом для тканевой инженерии
Приложения.Биоразлагаемые электронопроводящие гидрогели были
получен прививкой полианилина к желатину и допированием CPSA,
приводящая к проводимости около 10 ^–4 См / см (Кл). ⁶¹ Хотя гидрогели подходят в качестве каркасов, подготовка
тонких пленок важна для интеграции с производством стандартных устройств.
Тонкие пленки чистого анилинового пентамера (AP), легированные HCl, обладают проводимостью.
На 2 порядка выше (10 ^–2 См / см), но имеют
ограниченное использование из-за их механической жесткости. ⁶² Комбинация AP с гибкими сегментами PLA улучшенные механические свойства
но снизила проводимость пленки до 5 × 10 ^–6 См / см, ⁶² , хотя это значение потенциально может
можно улучшить за счет настройки макромолекулярной архитектуры. ^45,63 Например, Гуо и его сотрудники продемонстрировали 4-кратное улучшение
по проводимости (2 × 10 ^–5 См / см от 5 ×
10 ^–6 См / см) при изготовлении сополимеров АР и ПКЛ.
с гиперразветвленным, а не линейным дизайном. ⁶³ Аналогичным образом боковые цепи тетрамера анилина (ТА), привитые на
биоразлагаемая основа поли (сложного эфира амида) обеспечивает проводимость
8,0 × 10 ^–6 См / см. ⁴⁵

Помимо проблем биосовместимости, подвижность легирующих примесей
потенциально проблематично для приложений, требующих относительно длительного
стабильность, так как проводимость резко снижается, когда присадки
выщелачивать. Чтобы решить эту проблему, Сюй и его сотрудники синтезировали
многосегментный эластомер из проводящего полиуретана (DCPU) без примесей
(F).DCPU состоит
тримеров анилина, связанных с биоразлагаемым PCL и диметилолпропионовой примесью
кислота (DMPA) (G). Электропроводность DCPU составляла от 10 ^–8 до
10 ^–5 См / см в сухом состоянии, увеличиваясь с увеличением
содержание допанта. Замачивание в PBS дополнительно увеличивало проводимость до
4,7 × 10 ^–3 См / см. Скорость разложения в водной
Раствор PBS увеличился с DMPA, так как его гидрофильные карбоксильные группы
сделал полимер более гидрофильным. Что особенно важно, в то время как их полимер
деградировал до 75.8% от исходной массы в PBS через 14 дней в
липазы, электропроводность не снизилась более чем на порядок.
величины. Это улучшение электронной стабильности было объяснено
для уменьшения удаления примеси из-за того, что она ковалентно связана с
проводящий полимер. ⁶⁴

На сегодняшний день существует
потребность в биоразлагаемых проводниках с достаточно высокой проводимостью.
(> 10 ^–1 См / см) для использования в качестве электродов и межсоединений.
в устройствах. Неоценимое значение имеет использование коррозионных электродов из магния и железа.
при первоначальной демонстрации биоразлагаемых устройств, хотя
Диапазон механических свойств, достижимых с этими металлами, ограничен.Достижения в разработке эластичных / растягиваемых материалов,
биоразлагаемые полимерные материалы с высокой проводимостью будут в значительной степени способствовать
прогрессу сложной электроники, сопряженной с динамическими поверхностями,
например, человеческая кожа.

3.4. Биоразлагаемые полупроводники

Полупроводники играют важную роль в механизме переключения органических
транзисторы, и поэтому имеют решающее значение для сложных электронных схем.
Обычно они характеризуются подвижностью носителей заряда.
(μ _i ), который показывает, насколько быстро
может двигаться сквозь материал под действием электрического поля.Мобильность
и проводимость (σ) связаны уравнением σ = e ( n μ _e + p μ _h ), где n — концентрация
электронов с подвижностью μ _e , а p — концентрация дырок с подвижностью μ _h .
Подвижность обычно выражается в см ² / В · с и может
рассчитываться непосредственно с рабочих устройств, таких как тонкопленочные транзисторы.
Типичными полупроводниковыми полимерами являются политиофены (например,г., поли (3-гексилтиофен),
P3HT) ⁶⁵ и донорно-акцепторные сополимеры
первоначально разработанные для органических фотовольтаиков (например, дикетопирролопирролы,
ДПП). ^66,67

Сообщений о биоразлагаемых
полупроводники, потому что основная цель для разработки биоразлагаемых
электронно-проводящие полимеры сосредоточены на обнаружении электрических
сигналы в теле. Однако требуются разлагаемые полупроводники.
для создания более сложных архитектур биоразлагаемых устройств.Много
описанных выше стратегий по превращению проводящих полимеров в биоразлагаемую
применимы и к полупроводниковым полимерам, поскольку оба имеют
аналогичные проблемы, возникающие из-за их сопряженных структур.

Как и в случае с проводящими полимерами, для получения
полупроводники с деградацией типа I. Для улучшения смешиваемости
с более полярными биоразлагаемыми матрицами, поли (3-тиофенметилацетат)
(P3TMA), производное P3HT с карбоксилатными заместителями, было выбрано
для смешивания с поли (тетраметиленсукцинатом), PLA, поли (сложным эфиром)
мочевина) и термопластичный полиуретан (ТПУ).Устойчивый, отдельно стоящий
композитные пленки ^68,69 или электропряденные волокнистые маты ^9,70 поддерживали адгезию и пролиферацию клеток. Мадригал и сотрудники
наблюдали полупроводниковое поведение в наномембранах TPU: P3TMA и других
выяснил неоднородность проводимости внутри покрытых центрифугированием
мембраны с проводящим АСМ. Диапазон проводимости от 2,2
× 10 ^{–5 от} до 5,2 × 10 ^{–6 Было измерено} См / см, что они приписали наличию изоляционных материалов.
ТПУ. Интересно, что в то время как смесь TPU: P3TMA имела более высокую полосу
зазора, чем P3TMA в растворе, полимеры с центрифугированием имели очень похожие
запрещенные зоны (2.35 и 2.32 эВ соответственно) за счет изменения P3TMA
конформация во время нанесения покрытия центрифугированием. ⁷¹

Электроформование полупроводниковых полимеров с изолирующим, биоразлагаемым
полимера были подробно описаны. Разлагаемые волокна P3HT cospun
с PCL ⁷² и PLGA ⁷³ , хотя и с меньшей подвижностью из-за
к границам зерен, возникающим из-за макроскопической фазовой сегрегации. Электропрядение
Нановолокна P3HT имели подвижность 1,7 × 10 ^–2 см ² / В · с, тогда как смешанные волокна с 20 мас.% PCL
имели на 1 порядок меньшую подвижность, а смеси 50 мас.% PCL имели
На 2 порядка ниже мобильность.Как и в случае смешанных переходных проводников,
эти смеси полупроводниковых полимеров относятся к типу I, так как полупроводниковые
компонент не разлагается, и его поведение в первую очередь зависит от
на материале матрицы.

Недавние открытия в понимании
перенос заряда в полупроводниковых полимерах может служить источником вдохновения
для будущих разработок биоразлагаемых полупроводниковых полимеров. Преодоление
присущая жесткость и жесткость сопряженных полупроводниковых молекул
и их кристаллические агрегаты, переносящие заряд, были постоянным
проблема использования традиционных полупроводниковых полимеров в растягиваемых
и гибкая электроника.В 2013 году Норьега, Ривнай и сотрудники
продемонстрировали, что высокая мобильность может быть достигнута макроскопически.
неупорядоченные полупроводниковые полимеры со связанными агрегатами
и эффективный локальный внутри- и межмолекулярный перенос заряда. ⁷⁴ В 2015 году Ван и его коллеги продемонстрировали, что
полупроводниковые полимеры могут сохранять высокую подвижность носителей заряда
даже при смешивании с изоляционной полимерной матрицей. ⁷⁵ Ключом к их результату была высокая устойчивость к беспорядку
разработан путем настройки полупроводника для образования взаимосвязанных агрегатов
с локально эффективным межмолекулярным переносом заряда. ⁷⁴ В принципе, стратегия смешивания жестких
полупроводниковые полимеры с инертными полимерами, которые обладают благоприятными свойствами
может быть распространен на конструкционные материалы, состоящие в основном из изоляционного,
биоразлагаемая матрица. Такой подход повлечет за собой настройку как
полупроводниковые и инертные полимерные компоненты для достижения требуемых
взаимосвязанная морфология.

В приведенных выше примерах биоразлагаемость
вводится через обычно гидролизуемые связи, такие как сложноэфирные связи.Эти связи могут быть включены во второй компонент в
смесь, которая предотвращает полное разложение полупроводника,
или они могут быть непосредственно включены в полупроводниковый полимер.
позвоночник, который нарушает конъюгацию, отвечающую за более высокую подвижность.
Чтобы создать биоразлагаемые полупроводники типа II, наша группа недавно
сообщили об оригинальном использовании обратимых иминных связей в качестве конъюгированных связей.
между DPP и p -фенилендиамин. На базе DPP
полупроводниковый полимер сохраняет сопряжение вдоль основной цепи, позволяя
для подвижности дыр до 0.34 см ² / В · с при центрифугировании
на обработанные октадецилтриметоксисиланом (OTS) подложки SiO ₂ / Si. ¹⁷ Иминные связи разлагаются в кислых условиях
(pH = 4,6), где побочными продуктами являются предшественники альдегида и амина.
(А, Б). Устройства
полностью распался через 30 дней при использовании целлюлозы в качестве субстрата,
Al ₂ O ₃ в качестве диэлектрика и Fe-электроды. В
pH 4,6 заметно ниже, чем у желудочной кислоты в желудке.
(pH = 1,5–3,5). Следовательно, имин-связанные полупроводники являются
инновационная стратегия производства пригодных для вторичной переработки полупроводников или электроники
предназначен для прохождения и разложения в пищеварительной системе. ¹⁷

(A) Очень гибкие устройства, изготовленные из разлагаемого имина
полупроводник PDPP-DP на ультратонкие целлюлозные подложки можно переносить
для нацеливания на поверхности после растворения подлежащего жертвенного
слой декстрана. (B) PDPP-DP содержит иминные связи, которые могут гидролизовать
в кислых условиях до соответствующих альдегидов и аминов. (С)
Химическая структура индиго, а также фото разлагаемого индиго на основе
транзисторы на шеллаке. (D, E) Реакция пропорционального распределения между
меланин и вода были предложены для объяснения допингового эффекта
вода на меланине (D), о чем свидетельствует наблюдаемое повышение уровня меланина
проводимость с гидратацией (E).Изображения адаптированы с разрешения
ссылки (17, 76 и 77). Copyright 2017 Национальная академия наук, 2012
Wiley и Национальной академии наук 2012 г.

Конъюгированные молекулы, встречающиеся в природе, также могут служить
будущие строительные блоки для биосовместимой электроники. Определенные сопряженные
молекулы, содержащиеся в пищевых продуктах и ​​красителях, обладают низкой токсичностью и, естественно,
определенные пути разложения, что помогает обеспечить биосовместимость
разлагаемых устройств в течение их более широкого жизненного цикла. Один из самых ранних
сообщалось, что молекулы были естественным красителем индиго, который получают из
растения Indigofera tinctoria и Isatis
Краснодарский .Индиго — полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,7
эВ и сбалансированные подвижности электронов и дырок порядка 10 ^–2 см ² / В · с. ОФЭЦ с полностью натуральным
материалы были изготовлены путем испарения тонких кристаллических пленок
индиго на подложку из шеллака из натуральной смолы, используя алюминий в качестве
затвор и Al ₂ O ₃ в качестве диэлектрика (C). ⁷⁶

В
природный пигмент меланин также показал электронные
поведение. Эумеланины, подкласс меланинов, которые составляют основные
компонент пигмента кожи, представляют собой двумерные листовые структуры, состоящие
случайно сшитых и π – π уложенных в стопку агрегированных
олигомеры и полимеры, образованные из мономеров 5,6-дигидроксииндола
и 5,6-дигидроксииндол-2-карбоновая кислота. ⁷⁷ Электропроводность меланина может значительно варьироваться в зависимости от температуры,
физическая форма и состояние гидратации с полностью гидратированным меланином, проявляющим
проводимость достигает 10 ^–3 См / см, по сравнению с
От 10 ^–9 См / см до 10 ^–8 См / см в
обезвоженное состояние. ⁷⁸ Заряд транспортный
характеристики эумеланина были исследованы в 2012 г. Мостертом и
соавторы, которые продемонстрировали, что эумеланин самодопируется при абсорбции
воды, что вызывает реакцию пропорционального распределения, которая производит
свободные электроны и протоны для придания двойной ионной и электронной проводимости
(D, E). ⁷⁷ Из-за важности гидратации меланина
проводимость, это многообещающий кандидат для приложений тканевой инженерии
в теле. Беттингер и его коллеги продемонстрировали полностью обезвоженный
тонкие пленки меланина с проводимостью 7 × 10 ^–5 См / см, которые усиливают пролиферацию шванновских клеток и удлинение нейритов PC12 in vitro . In vivo наблюдение подтверждено
что имплантаты меланина были почти полностью разрушены и рассосались после
8 недель, что является подходящим сроком для регенеративной медицины.
строительные леса. ⁷⁸

Другие известные молекулы
включают β-каротин, молекулу, отвечающую за красно-оранжевый цвет.
цвет моркови и производные антрахинона, естественного слабительного.
β-Каротин был исследован как молекулярная проволока с р-типом
подвижность до 4 × 10 ^–4 см ² / В · с. ^32,79 Производные антрахинона, индантрен желтый G и индантрен
блестящий оранжевый RF, зарегистрированные подвижности 1,2 × 10 ^–2 см ² / В · с при использовании в полевых транзисторах, полностью изготовленных из натурального материала.
материалы, с гуанином и аденином в качестве диэлектрика затвора и карамелизированными
глюкоза в качестве субстрата.Когда был включен Al ₂ O ₃
в диэлектрик затвора подвижность была увеличена до 0,015
см ² / В · с. ³² Для лучшего обеспечения
биосовместимость на протяжении всего жизненного цикла деградации, будущая работа
может рассмотреть вопрос о разработке синтетических полимеров, включающих сопряженные
биомолекулы, такие как β-каротин и антрахинон, в полимер
цепь.

Проводящий материал — обзор

Проводящие материалы позволяют протекать или проходить электрический ток с помощью электронов или ионов в качестве носителей заряда.Таким образом, присутствуют два типа проводящих материалов, то есть электронный проводник и ионный проводник. Единица проводимости (γ) ионного проводника составляет Ом ^-1 / м (или См / м), тогда как проводимость электронного проводника называется удельным сопротивлением (ρ = 1 / γ) с единицей измерения Ом- метр (Ом-м, или S ^-1 м), хотя также можно использовать единицы измерения См / м. Несколько типов электронных проводников, таких как проводящий углерод (углеродные нанотрубки, графен, черный углерод и т. Д.), Электропроводные полимеры (полианилин, полипиррол, политиофен и т. Д.), Металлические проводники и ионные проводники, такие как полимерные электролиты (например, хитозан и поливиниловый спирт. , ПВС) присутствуют с разными уровнями проводимости и играют важную роль в электрохимических приложениях [33].Как и хитозан и ПВС, NC попадает в категорию полимерных электролитов, которые представляют собой тип ионного проводника. Эти проводящие материалы необходимы для промышленных процессов производства устройств преобразования и хранения энергии. NC можно комбинировать с этими проводящими материалами для увеличения синергетических преимуществ обоих компонентов в качестве нового нанокомпозита. Теоретически можно использовать широкий спектр токопроводящих материалов для создания токопроводящих NC. Проводящие полимеры — это особые типы полимеров с π-сопряженными цепями, которые обладают уникальной способностью к электронной проводимости.Поли (фениленвинилен) (PPV, 3–100 См ^-1 ), политиофен (PTh, 2–150 См / см), полиацетилен (PA, 3–1000 См / см), полианилин (PANI, 0,01–5 S / см), полипиррол (PPy, 0,3–100 См / см) и их производные являются некоторыми примерами полимеров, проводящих электроны [34]. Обширные исследования этих проводящих полимеров использовались в качестве электрохимических приводов, в электрохромных устройствах, батареях, электродах топливных элементов, суперконденсаторах, датчиках, устройствах памяти и устройствах автоэмиссии. Однако наноструктурированным проводящим полимерам препятствует их сложность в производстве, низкая растворимость и плохая механическая стабильность [32].В таблице 13.1 приведена ионная проводимость НК в сочетании с проводящим полимером в виде нанокомпозита.

Таблица 13.1. Резюме ионной проводимости проводящего полимера на основе наноцеллюлозы.

PPy

CN Поверхность с модифицированной поверхностью

⁻²

BC , бактериальная целлюлоза; CNC , наноцеллюлоза кристаллическая; CNF , углеродное нановолокно; TEMPO , 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-илоксил; PPy , полипиррол; ПАНИ , полианилин.

Воспроизведено из X. Du, Z. Zhang, W. Liu, Y. Deng, Проводящие материалы на основе наноцеллюлозы и их новые применения в энергетических устройствах — обзор, Nano Energy 35 (2017) 299–320 https: // doi .org / 10.