广东以色列理工学院材料科学与工程系Daniel Q. Tan教授课题组联合以色列理工学院化学工程系Gideon S. Grader组开发出了两种链式纤维无机材料以研究聚合物复合材料的介电性能，部分研究成果以“Chain-Like Semiconductive Fillers for Dielectric Enhancement and Loss Reduction of Polymer Composites”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》（IF：29.4）上。本文第一作者为博士生吴旭东，他曾获得中国科学技术大学硕士学位，在进入谭教授课题组之后发表相关论文10篇。

Advanced Materials 期刊简介

《Advanced Materials》作为材料学术领域的顶级期刊，在国际科研界享有极高的声誉，30多年来一直是一流材料领域科研者的首选期刊之一，涵盖材料物理、材料化学、金属材料、计算材料、工程材料等多个方向的前沿成果，有着严格的选稿标准和评估程序。该期刊隶属中国科学院SCI1区TOP期刊，2023年的影响因子为29.4。

关于该研究

介电材料广泛应用于微电子、电力电子、电网、医疗设备和军事等领域。近二十年来，具有优异性能的先进电介质的开发受到了广泛的关注，实现聚合物复合薄膜介电常数的提高和在高温条件下介电损耗的减小是关键的研究课题。

目前广泛采用的方法是将无机材料复合到聚合物中来增强介电常数。无机填料的形态和物理属性对聚合物和无机填料之间的介电性能和界面极化有很大的影响。目前报道最多的工作是使用球状和棒状填料构建介电复合材料，并没有很好地理解填料形貌和电导率对复杂介电响应的贡献。本文采用静电纺丝，煅烧和快速退火等方法设计并合成了两种类型的链式纳米纤维(TiO2和TINO)，为研究介电响应和界面贡献提供了一种独特的方法。

Fig.1 (a) Synthesis of chain-like nanofibers by electrospinning. (b) Surface coating of nanofibers by ALD alumina and annealing treatment for phase transition and pore formation of the shell. (c) Preparation of PEI/nanofibers composites by solution casting.

链式纳米纤维在相互连接的颗粒之间具有特殊的接头（joint），其在非晶态聚醚酰亚胺(PEI)聚合物中倾斜分布时呈现明显的极化，在近乎水平分布时颗粒的极化贡献占据主导地位。所以无论链式纤维如何分布，填料均能参与显著的极化响应。因此聚合物的介电常数显著提高五倍以上，温度越高介电效应越显著。这种极化效应在传统的孤立的球形和棒状填料中鲜有报道。

如何降低电介质复合材料的高温损耗仍然是一个关键问题。这两种链式纤维在低温下呈现半导体特性而在高温下导电，为研究不同温度的介电损耗提供了便利。为了减小高温损耗，研究者用原子层沉积（ALD）技术沉积氧化铝壳层来钝化纤维表面，由于能垒，界面陷阱和散射中心的作用，载流子难以穿越核壳界面而接触聚合物链，另外由于电场的削弱效应，有效地抑制了界面电荷集聚，从而降低了介电损耗。进一步地，通过热处理将非晶态氧化铝壳转化为结晶多孔纳米壳后，界面工程更加有效。这种方法在抑制高温低频介电损耗有显著的效果。

Figure 2. Proposed mechanism of charge carriers or conductivity-induced high-temperature interfacial polarization. The yellow circles with positive and negative signs represent space charges.

谭启(Daniel Tan)

材料科学与工程系教授

材料科学与工程系副主任

谭启教授于2018年8月由以色列理工学院招聘到广东以色列理工学院任教。他于1998年获得伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程博士学位，1989年获得中国科学院固体物理研究所博士学位，师从葛庭燧院士，曾任教于中国科学技术大学。1994-1995年，谭启教授前往美国阿贡国家实验室及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校担任访问科学家。1998年，他加入霍尼韦尔国际公司，担任高级科学家并开发半导体行业所需的高K介电常数铁电材料。2000-2004年，他受聘于CTS公司，担任高级工程师，负责开发高性能压电传感器和手机天线材料。随后12年，他就职于美国通用电气公司，致力于开创性纳米复合材料电子及储能的研究。2016年，他加入W.L.Gore（戈尔私营公司）担任高级科学家，进一步开展高温电容器和多空薄膜过滤技术的研究。

谭启教授发表、联合发表超过90篇期刊文章、2本大学教材、3本书籍章节及50份企业内部报告。作为一个创新者，他在陶瓷、聚合物、储能和电子器件领域拥有55项专利及商业秘密。作为企业及美国政府科技项目的首席科学家，率先开发了纳米绝缘介电复合材料、高温高能量密度电容器。谭启教授获得多个奖项，包括1993年中国科学院自然科学奖一等奖，2008年通用电气全球研究中心创新奖，2022年广东以色列理工学院最佳教学奖，2023年中国创新创业成果交易会最具投资价值科技成果奖等奖项。他同时还是MRS, ACERS, SPIE, iMAPS and IEEE等学术机构的成员及多家期刊的评审人。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202401597?af=R

文/图：吴旭东、GTIIT传媒与公共事务部