Enhanced Electrical, Dielectric, and Optical Properties of Fe₂O₃-Decorated MWCNT/Epoxy Nanocomposite Thin Films

Moderne elektronica zijn sterk afhankelijk van materialen die elektriciteit kunnen geleiden, energie kunnen opslaan of kunnen interageren met licht. Decennialang hebben ingenieurs geprobeerd deze capaciteiten te verbeteren door verschillende stoffen met elkaar te mengen om nieuwe materialen met superieure eigenschappen te creëren. Een veelvoorkomende aanpak houdt in dat men een stevig plastic, een polymeer genoemd, neemt en daar minuscule deeltjes aan toevoegt. Deze deeltjes kunnen koolstofnanobuisjes zijn, die ongelooflijk dunne, buisvormige structuren zijn gemaakt van koolstofatomen, of metaaloxiden, wat verbindingen zijn die zuurstof en een metaal bevatten. Wanneer deze kleine toevoegingen worden gemengd in een plastic matrix, kunnen ze het vermogen van het materiaal om een elektrische stroom te dragen of een elektrische lading op te slaan, transformeren. Dit proces is cruciaal voor het ontwikkelen van betere sensoren, snellere elektronische circuits en efficiëntere energieopslagapparaten. De uitdaging ligt in het vinden van de juiste balans: te weinig deeltjes doen niets, terwijl te veel deeltjes kunnen samenklonteren en de prestaties van het materiaal kunnen ruïneren.

In een recente studie onderzochten onderzoekers hoe een specifieke combinatie van materialen de elektrische en optische eigenschappen van een veelvoorkomend plastic genaamd epoxy kon verbeteren. Ze richtten zich op een mengsel van epoxyhars, meervoudige wand koolstofnanobuisjes en ijzeroxide-nanodeeltjes. Het team begon met het maken van dunne films van zuivere epoxy en voegde vervolgens geleidelijk verschillende hoeveelheden koolstofnanobuisjes toe om te zien hoe het materiaal veranderde. Ze testten concentraties variërend van een fractie van een procent tot één en een half procent bij gewicht. Hun doel was om de exacte hoeveelheid nanobuisjes te identificeren die nodig is om het meest efficiënte pad te creëren waar elektriciteit door het plastic kan stromen, zonder dat de deeltjes gaan klonteren. Ze ontdekten dat het toevoegen van slechts één procent koolstofnanobuisjes de beste resultaten opleverde, wat het vermogen van het materiaal om elektriciteit te geleiden en elektrische energie op te slaan aanzienlijk verbeterde vergeleken met de gewone epoxy.

Om de prestaties nog verder te pushen, voegden de onderzoekers ijzeroxide-nanodeeltjes toe aan het best presterende mengsel van epoxy en koolstofnanobuisjes. Deze stap was bedoeld om te zien of de metaaldeeltjes samen met de koolstofbuisjes konden werken om een nog beter netwerk te creëren voor het verplaatsen van elektrische ladingen. De resultaten toonden aan dat deze hybride aanpak zeer effectief was. Het nieuwe materiaal, dat zowel de koolstofnanobuisjes als de ijzeroxide-deeltjes bevat, vertoonde een dramatische toename in zijn vermogen om elektrische energie op te slaan en wisselstroom te geleiden. De onderzoekers maten het vermogen van het materiaal om lading op te slaan, ook wel capaciteit genoemd, en vonden dat dit een waarde van 8,1 × 10⁻⁹ farad bereikte voor het mengsel met alleen nanobuisjes, en dat dit getal nog hoger steeg toen het ijzeroxide werd toegevoegd. Op dezelfde manier sprong het vermogen van het materiaal om elektrische energie op te slaan, gemeten als de diëlektrische constante, van een lage waarde in gewone epoxy naar 71,5 in het geoptimaliseerde nanobuisjesmengsel, en steeg nog verder met de toevoeging van ijzeroxide.

De studie keek ook naar de manier waarop deze materialen met licht interageren, wat essentieel is voor apparaten die licht moeten detecteren of uitzenden. De onderzoekers schijnen licht door de verschillende monsters om te zien hoeveel energie er nodig is om elektronen binnen het materiaal te verplaatsen, een eigenschap die bekend staat als de bandgap. Ze ontdekten dat naarmate ze meer koolstofnanobuisjes en vervolgens de ijzeroxide-deeltjes toevoegden, de hoeveelheid energie die nodig is om deze elektronen te verplaatsen, aanzienlijk afnam. De zuivere epoxy had 4,15 elektronvolt nodig om een elektron te verplaatsen, maar het uiteindelijke mengsel met beide additieven bracht deze vereiste terug naar slechts 2,69 elektronvolt. Deze vermindering betekent dat het materiaal gemakkelijker met licht kan interageren, waardoor het een sterkere kandidaat is voor gebruik in optische apparaten. Het team observeerde ook dat het oppervlak van het materiaal ruwer en meer onderling verbonden werd naarmate de deeltjes werden toegevoegd, wat een complex netwerk creëerde dat de stroom van elektriciteit en licht hielp te leiden.

Gedurende het hele onderzoek gebruikten de onderzoekers diverse instrumenten om te begrijpen wat er binnen het materiaal gebeurde. Ze onderzochten de kristalstructuur om te verzekeren dat de deeltjes correct waren gerangschikt en gebruikten microscopen om te zien hoe de koolstofbuisjes en ijzerdeeltjes over het oppervlak verdeeld waren. Ze ontdekten dat de deeltjes niet zomaar willekeurig lagen; in plaats daarvan vormden ze een ingewikkeld web waarbij de ijzeroxide-nanodeeltjes de gaten tussen de koolstofnanobuisjes leken te overbruggen. Deze onderling verbonden structuur bood meer paden waar elektrische ladingen doorheen konden reizen, wat verklaart waarom het materiaal een veel betere geleider en energieopslagapparaat werd. De studie bevestigde dat door de hoeveelheid koolstofnanobuisjes zorgvuldig af te stemmen en vervolgens een kleine hoeveelheid ijzeroxide toe te voegen, het mogelijk is om een dunne film met sterk verbeterde elektrische en optische eigenschappen te creëren. Deze bevindingen suggereren dat deze specifieke combinatie van materialen zeer nuttig zou kunnen zijn voor de bouw van de volgende generatie elektronische en optische componenten, wat een manier biedt om apparaten te maken die efficiënter zijn en in staat zijn om complexe taken aan te kunnen.