Dielectric layers of hybrid Gold@Polystyrene Nanoparticle Inks

Abstract

A new type of hybrid dielectric based on nanoparticles with gold cores with diameters of 2.9-8.2 nm and covalently bound thiol-terminated polystyrene shells (Mn = 5000 Da and Mn = 11000 Da) is introduced. Particle dispersions were spin coated as dielectric films of thin film capacitors. The metal contents were 5-31 vol%, and the particles packed randomly or in face-centred-cubic superstructures, mainly depending on the polymer shell. Films with 9 vol% metal and 2.9 nm cores had dielectric constants of 98@1 Hz. Small angle X-ray scattering, transmission electron microscopy, and impedance spectroscopy indicate that classical random capacitor-resistor network models partially describe the hybrid materials. The covalently attached polymer shells enabled higher metal contents than in conventional nanocomposites without the risk of conductive breakdown. Dielectric properties depended on the metal content and the core size, but not on the network structure. The frequency-dependent dielectric polarization mainly takes place at the interfacial areas, but is not considered in the classical models. Smaller core sizes increased internal interfacial areas at comparable metal fractions by 46 %, resulting in 40 % larger dielectric constants in agreement with the Maxwell-Wagner-Sillars model. Inkjet-printed capacitors were prepared with a capacitance of 2.0±0.1 nF@10 kHz over an area of 0.79 mm² on rigid substrates; they retained their functionality over 3500 bending cycles on flexible substrates.

Ein neuartiges hybrides Dielektrikum aus Nanopartikeln mit Goldkernen eines Durchmessers von 2,9-8,2 nm und kovalent gebundenen Thiol-terminierten Polystyrolhüllen (Mn = 5000 und 11000 Da) wird gezeigt. Aus den Partikeldispersionen wurden durch Rotationsbeschichten dielektrische Filme für Dünnschichtkondensatoren mit Metallgehalten von 5-31 vol% präpariert. Die Partikel ordneten sich je nach Polymerhülle in zufälligen oder kubisch-flächenzentrierten Strukturen an. Filme mit 9 vol% Metall und 2,9 nm großen Kernen hatten Dielektrizitätskonstanten von 98@1 Hz. Kleinwinkel-Röntgenstreuung, Transmissionselektronenmikroskopie und Impedanzspektroskopie deuten an, dass klassische zufallsbedingte Kondensator-Widerstand-Netzwerkmodelle die Materialien teilweise beschreiben. Die Polymerhüllen ermöglichten hohe Metallgehalte ohne das Risiko leitender Pfade. Die dielektrischen Eigenschaften hingen vom Metallgehalt und der Kerngröße ab, nicht aber von der Netzwerkstruktur. Die dielektrische Polarisation findet primär an den Grenzflächen statt und wird in den klassischen Modellen nicht berücksichtigt. Kleinere Kerne erhöhten die internen Grenzflächen bei ähnlichen Metallanteilen um 46 %, was zu 40 % größeren Dielektrizitätskonstanten gemäß dem Maxwell-Wagner-Sillars-Modell führte. Kondensatoren mit einer Kapazität von 2,0 ± 0,1 nF@10 kHz über eine Fläche von 0,79 mm² wurden mit Tintenstrahldruck auf starren Substraten hergestellt; sie blieben auf flexiblen Substraten über 3500 Biegezyklen intakt.