作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 详细的宽带介电谱(BDS)测量，化学结构的聚酰亚胺在这项工作中研究，以及电极极化模型用于解释实验结果
绘制了相对于频率和应用的DC偏差的BDS光谱，以及在本工作中研究的聚酰亚胺的化学结构
作为时间函数的DC和交流分量的外加电压脉冲示意图
(3)使用雷莱吉亚方法研究的系统示意图(31)，显示了夹在两个平面平行电极之间的薄膜
施加在右电极和左电极上的电压分别为+和
在这项工作中研究的材料，我
e
聚离子及其抗衡离子的相对介电常数为ϵr，并且每个电极具有相同厚度的有效界面层ls，其具有ϵs & lt；ϵr
(四)一个例子，显示了使用基于雷莱吉亚方法的电极极化模型拟合BDS光谱的实部和虚部
学分:科学进步，doi: 10
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aba7952 电极-聚合物界面可以决定薄膜的性质，包括它们的电容、电场和电荷传输，但是科学家们仍然需要完全理解它们的界面动力学
在《科学进步》的一份新报告中，拉吉夫·库马尔和一组美国跨学科科学家
S
波兰研究了基于咪唑的聚合离子液体(聚离子液体)的带电界面，以了解电场在电极-聚合物界面诱导的转变
为了实现这一点，他们使用了宽带介电光谱学、镜面中子反射率和分子动力学模拟的组合
电容取决于施加的电压，该电压来源于吸附的聚合物层的响应
这项工作将有助于深入了解影响电极-聚合物界面结构和性质的特征，以设计下一代能量储存和收集装置
双电层(EDL)是所有离子材料共有的带电界面的普遍特征，这些离子材料自发形成，以在超级电容器等设备中存储电能
科学家们旨在了解双电层电容器的结构和性能之间的相互关系，以控制设备特性，包括电化学存储设备的电容以及电池的充电和放电速率
过去二十年的研究主要集中在了解双电层在外加电场中相对于电荷储存性质的结构变化
结果表明静电学和拥挤效应之间的相互作用是离子液体中双电层结构的原因
然而，对于聚合物电解质如聚合离子液体的电容却知之甚少，聚合离子液体是一种很有前途的无溶剂有机电解质，可用于电池、太阳能电池、执行器和超级电容器
聚酰亚胺还具有可调的机械性能和高稳定性，并且不易燃
表面电荷(顶部面板)和差分电容(底部面板)与外加电压的函数
实线:弱不均匀情况，虚线:超出弱不均匀极限
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aba7952 当在离子液体上施加偏置电压时，科学家希望阳离子向负电极迁移，阴离子向带正电的电极迁移，从而在两个电极上形成EDL(双电层)
然而，聚酰亚胺中EDL的结构目前还不清楚，尽管分子动力学模拟为离子液体提供了不同结果的见解
Kumar等人
因此研究了带正电荷的咪唑类聚酰亚胺与作为抗衡离子的双(三氟甲烷)磺酰亚胺的电极-聚合物界面
他们使用了宽带介电光谱学(BDS)的组合，并通过瑞利方法模拟了电极极化现象，以获得电极-聚合物界面的电容，并使用该信息来改善器件的存储特性
由低介电层的表观厚度和相互扩散的长度尺度构造的稳态电容的电压依赖性
(一)低介电层的表观厚度(λs)和相互扩散的长度尺度(Lm)，通过用雷莱基电极极化模型拟合聚酰亚胺在370 K下的BDS数据获得
薄膜的静态介电常数(ϵr)也是通过拟合零直流电压下的光谱获得的，并作为施加电压的函数保持恒定
特别是，ϵr = 7
7和d = 25微米用于生成这些图
(二)使用(一)中的参数从研究中得出的等式1计算的电容
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aba7952 宽带介电光谱测量 该小组在相对于所施加的直流(DC)电压的不同频率下获得了代表性的宽带介电光谱测量值
使用实验方案，他们改变施加的电压以获得包含三个不同区域的光谱
通常，研究人员可以通过阻抗谱和等效电路模型拟合来确定吸附层和扩散层的厚度以及电容
虽然有用，但基于等效电路的提取量的物理解释可能会带来挑战
Kumar等人
因此，基于先前设计的雷莱吉亚方法，使用电极极化模型从BDS光谱中提取电容
然后，他们假设模型中的每个电极都有一层低介电材料，与具有均匀静态介电常数的聚合物膜接触
该团队使用该模型来解释基于光谱学测量的类似聚离子的充电动力学，这与基于脉冲场梯度-核磁共振(PFG-核磁共振)的测量非常一致
利用该模型，科学家们提取了低介电层的表观厚度和聚酰亚胺薄膜相互扩散的长度尺度
低介电层的厚度对所施加的电压具有非单调依赖性，其随着DC电压的增加而增加
中子反射计的结果表明，通过在硅/二氧化硅衬底上沉积聚酰亚胺而制备的薄膜中存在界面层
聚酰亚胺薄膜的中子反射率(R) (A)和相关的SLD (ρ)模型(B)
黑色方块和红色圆圈分别表示40℃和100℃时的测量值
反射率图中的实线代表由(B)中所示的单反剖面产生的最佳拟合
这些轮廓对应于沉积在硅/二氧化硅衬底上的聚酰亚胺
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aba7952 电容-电压曲线 该团队获得了骆驼形状的电容-电压曲线，与粗糙表面上离子液体的原子分子动力学模拟中预测的曲线相似
研究中使用的硅和金属电极表面都有预吸附层，其电压依赖性决定了电容
因此，施加电压的变化改变了吸附层以确定电容-电压关系，突出了预吸附层的质量和化学性质对于设计高效能量存储装置的重要性
该团队使用了一个最小模型，该模型简化了研究中得出的假设和数值方程，以从BDS测量中构建电容-电压关系
通过数值求解稳态下电极极化模型的基本方程，获得电容-电压关系的结果
这里，vr是抗衡离子与单体的摩尔体积比，c是电容(以ϵoϵr/d为单位), V =eV/kBT，v是外加电压
实线是通过求解一组加强弱不均匀性的近似方程而获得的，虚线表示超出弱不均匀性极限的数值解
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aba7952 通过这种方式，拉吉夫·库马尔和他的同事用宽带介电谱测量、中子反射测量和基于建模的方法研究了电极聚酰亚胺(聚合离子液体)表面
他们注意到电极上存在一层预吸附层，这决定了电极-聚酰亚胺界面的测量阻抗和电容
他们期望电极极化模型的预吸附层存在于包含类似电荷的聚离子的大多数其它膜中，并且对电容有很大贡献
科学家们希望这一现象能够改善能量储存和采集设备的应用
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