ポリマーナノコンポジットアプローチを介して決定されたチタン酸バリウムナノ結晶の非線形強誘電性特性

高エネルギー貯蔵材料の需要の高まりは、次世代多層セラミックコンデンサのために、BATIO3（BTO）などの鉛のない強誘弾性ナノクリスタル（NC）に大きく注目されています。特に、BTO NCSの誘電率と偏光電場（P-E）ヒステリシスループを正確に測定することは困難なままです。ここでは、ポリマーナノコンポジットアプローチを介したBTO NCSの非線形強誘電性特性について報告します。具体的には、3-10μmの厚さのポリ（ビニルピロリドン）（PVP）/BTOナノコンポジットフィルムは、均一な粒子分散を備えた380 nmの四角層および60 nmの立方質BTO NCを含む、調製しました。PVP/BTO NC複合フィルムの広範な実験P-Eループの理論的デコンボリューションは、3つの貢献、つまりナノコンポジットの線形変形偏光、BTO NCS（PP）の偏光、および強い粒子粒子相互作用からの偏光を明らかにしました。さまざまな混合ルールと非線形誘電分析を使用して、BTO NCの全体的な誘電率が得られ、そこからBTO NCS（EP）の内部フィールドが推定されました。その結果、BTO380およびBTO60 NCでPP-EPヒステリシスループが得られました。興味深いことに、BTO380は正方形の強誘電性ループを示しましたが、BTO60はスリムなパラレクリックループを表示しました。この作業は、ポリマー/セラミックナノコンポジットから強誘電性NCのPP-EPループを抽出するための堅牢で汎用性の高いルートを提供します。

The growing demand for high energy storage materials has garnered substantial attention towards lead-free ferroelectric nanocrystals (NCs), such as BaTiO3 (BTO), for next-generation multilayer ceramic capacitors. Notably, it remains challenging to accurately measure the dielectric constant and polarization-electric field (P-E) hysteresis loop for BTO NCs. Herein, we report on nonlinear ferroelectric characteristics of BTO NCs via a polymer nanocomposite approach. Specifically, poly(vinyl pyrrolidone) (PVP)/BTO nanocomposite films of 3-10 μm thickness, containing 380 nm tetragonal-phased and 60 nm cubic-phased BTO NCs with uniform particle dispersion, were prepared. Theoretical deconvolution of the broad experimental P-E loops of the PVP/BTO NC composite films revealed three contributions, that is, the linear deformational polarization of the nanocomposites, the polarization of BTO NCs (Pp), and the polarization from strong particle-particle interactions. Using different mixing rules and nonlinear dielectric analysis, the overall dielectric constants of BTO NCs were obtained, from which the internal field in the BTO NCs (Ep) was estimated. Consequently, the Pp-Ep hysteresis loops were obtained for the BTO380 and BTO60 NCs. Interestingly, BTO380 exhibited square-shaped ferroelectric loops, whereas BTO60 displayed slim paraelectric loops. This work presents a robust and versatile route to extract the Pp-Ep loops of ferroelectric NCs from polymer/ceramic nanocomposites.