DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38245-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41639285
تاريخ النشر: 2026-02-04
المؤلف: Samer I. Daradkeh وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد العازلة والمحركات
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة الخصائص العازلة لمركبات البوليمر المصنوعة من مصفوفة أكريليك وحشوة أكسيد عالي الانتروبيا (HEO)، تحديدًا (CoCrFeNiMn)3O4، التي تم تصنيعها من خلال تفاعل الحالة الصلبة والتكلس عند 850 درجة مئوية. تركز الأبحاث على كيفية تأثير درجة الحرارة وتركيز الحشوة على الأداء العازل وآليات نقل الشحنات لهذه المركبات. تشير النتائج الرئيسية إلى أن الثابت العازل والموصلية للمركبات تتأثر بشكل كبير بتركيز HEO-850، مع ملاحظة الأداء الأمثل بالقرب من عتبة التخلل عند تركيز حشوة 10%. بعد هذه النقطة، وتحديدًا عند 15%، يحدث انخفاض ملحوظ في الخصائص العازلة.
تتميز الاستجابة العازلة بزيادة في الثابت العازل النسبي مع درجة الحرارة، متوافقة مع سلوك أرهينيوس، وتحول منهجي في قمم الاسترخاء نحو ترددات أعلى مع ارتفاع درجة الحرارة. يرتبط هذا التحول بزيادة الحركة الأيونية بسبب التنشيط الحراري، حيث تساهم الأيونات الانتقالية في السلوك العازل من خلال حالات الشحن المتغيرة التي تسهل قفز الإلكترونات. تبرز الدراسة أن وجود عناصر انتقالية متعددة يقدم تباينات محلية في الشحن، والتي تعمل كمراكز استقطاب، مما يعزز الاستجابة العازلة. تشير النتائج إلى أن الخصائص العازلة القابلة للتعديل لهذه المركبات، التي تم تحقيقها من خلال التحكم الدقيق في درجة الحرارة وتركيز الحشوة، تقدم إمكانيات كبيرة للتطبيقات السعوية المتقدمة.
مقدمة
تعتبر الأكسيدات عالية الانتروبيا (HEOs) فئة جديدة من المواد التي تظهر أداءً معززًا مقارنة بالأكسيدات التقليدية، ويرجع ذلك أساسًا إلى تركيبها المعقد وخصائصها الهيكلية. تتميز هذه المواد، مثل (CoCrFeNiMn)3O4، بانتروبيا تكوينية عالية، والتي تنتج عن التوزيع العشوائي لمختلف الكاتيونات المعدنية في الشبكة البلورية. تساهم هذه الترتيبات الفريدة في استقرارها الهيكلي الملحوظ عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، مما يجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك تخزين الطاقة، والأجهزة الكهرومغناطيسية، والترانزستورات الرقيقة.
يرتبط الاستقرار الهيكلي للأكسيدات عالية الانتروبيا ارتباطًا وثيقًا بخصائصها الانتروبيا، وهي علاقة تم تأكيدها من خلال العديد من الدراسات. بالإضافة إلى ذلك، فإن وجود معادن انتقالية متعددة بحالات أكسدة وأحجام أيونية متغيرة يعزز خصائصها العازلة والمغناطيسية. تشير التحليلات البصرية باستخدام طيف الأشعة فوق البنفسجية/المرئية إلى أن فجوة الطاقة لـ (CoCrFeNiMn)3O4 يمكن ضبطها بشكل منهجي، مما يبرز المزيد من مرونة وإمكانات الأكسيدات عالية الانتروبيا في التطبيقات التكنولوجية المتقدمة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تحليل الميكروهيكل وتركيب الطور للعناصر باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح المدمج مع مطياف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (SEM/EDS) وحيود الأشعة السينية (XRD). تم إجراء تحليل SEM/EDS باستخدام جهاز TUSCAN LYRA3، بينما تم إجراء قياسات XRD باستخدام نظام RIGAKU3، مع استخدام إشعاع Cu Kα (λ = 0.15412 نانومتر) عبر نطاق 2θ من 10° إلى 80°. سهلت هذه التقنيات فحصًا مفصلًا للخصائص الهيكلية للعناصر وتحديد الطور، مما ساهم في فهم شامل لخصائصها.
بالإضافة إلى ذلك، من المحتمل أنه تم استخدام طرق تحويل فورييه لمزيد من تحليل البيانات، على الرغم من عدم توفير تفاصيل محددة بشأن تطبيقاتها في النص المستخرج. بشكل عام، مكنت مجموعة هذه التقنيات التحليلية المتقدمة من تحقيق تحقيق قوي لميزات المادة الميكروهيكلية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التأثير الكبير لدرجة حرارة التكلس على خصائص الأكسيدات عالية الانتروبيا (HEOs)، وخاصة HEO-850، التي تظهر انخفاضًا في طاقة فجوة الطاقة تصل إلى 1.213 إلكترون فولت عند 850 درجة مئوية. يعزز هذا الانخفاض من قابلية المادة للاستقطاب، كما يتضح من العلاقة العكسية بين الثابت العازل وطاقة فجوة الطاقة. تؤكد الدراسة على دور تشكيل البولارون في آليات نقل الشحنات، والتفاعل السطحي، والسلوك متعدد المغناطيسية، والتي تتأثر بالتفاعلات بين مدارات d للمعادن الانتقالية ومدارات p للأكسجين. تشير النتائج إلى أن الموصلية الكهربائية لأكسيدات المعادن الانتقالية تتبع عادةً آلية قفز البولارون الصغير، ولكن يمكن أن تؤدي التغيرات في درجة الحرارة إلى انتقالات إلى آليات توصيل بديلة، مما يؤثر بشكل كبير على موصلية المركب واستجابته العازلة.
تستكشف الأبحاث أيضًا دمج HEO-850 في مصفوفة بوليمر أكريليكي، بهدف الاستفادة من الخصائص المفيدة لكلا المادتين للتطبيقات العازلة. تم التحقيق في الخصائص العازلة بشكل منهجي من خلال مطيافية الاسترخاء العازل، مما يكشف أن السماحية النسبية تزداد مع درجة الحرارة وتركيز الحشوة، خاصة بالقرب من عتبة التخلل. تحدد الدراسة تفاعلًا معقدًا من العوامل التي تؤثر على السلوك العازل، بما في ذلك الاستقطاب الوجهي وتركيز HEO-850، الذي يؤثر على تراكم الشحنات وكفاءة الاستقطاب. من الجدير بالذكر أن طاقة التنشيط المرتبطة بآليات الاسترخاء تظهر اعتمادًا بارزًا على تركيز الحشوة، حيث يعزز التحميل الأمثل الموصلية الكهربائية بينما قد يؤدي التحميل المفرط إلى أداء متدني بسبب تأثيرات التكتل. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على إمكانيات الأكسيدات عالية الانتروبيا في تطوير مواد عازلة متقدمة لتطبيقات تخزين الطاقة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38245-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41639285
Publication Date: 2026-02-04
Author(s): Samer I. Daradkeh et al.
Primary Topic: Dielectric materials and actuators
Overview
This study explores the dielectric properties of polymer composites made from an acrylic matrix and high-entropy oxide (HEO) filler, specifically (CoCrFeNiMn)3O4, synthesized through solid-state reaction and calcination at 850 °C. The research focuses on how temperature and filler concentration influence the dielectric performance and charge transport mechanisms of these composites. Key findings indicate that the dielectric constant and conductivity of the composites are significantly affected by the concentration of HEO-850, with optimal performance observed near the percolation threshold at 10% filler concentration. Beyond this point, specifically at 15%, a notable decline in dielectric properties occurs.
The dielectric response is characterized by an increase in relative dielectric constant with temperature, consistent with Arrhenius behavior, and a systematic shift in relaxation peaks towards higher frequencies as temperature rises. This shift is linked to enhanced ionic mobility due to thermal activation, with transition ions contributing to the dielectric behavior through variable valence states that facilitate electron hopping. The study highlights that the presence of multiple transition elements introduces local charge heterogeneities, which serve as polarization centers, thereby enhancing the dielectric response. The findings suggest that the tunable dielectric properties of these composites, achieved through careful control of temperature and filler concentration, present significant potential for advanced capacitive applications.
Introduction
High-entropy oxides (HEOs) are a novel class of materials that exhibit enhanced performance compared to traditional oxides, primarily due to their complex composition and structural attributes. These materials, such as (CoCrFeNiMn)3O4, are characterized by high configurational entropy, which results from the random distribution of various metal cations in the crystal lattice. This unique arrangement contributes to their remarkable structural stability across a wide temperature range, making them suitable for various applications, including energy storage, electromagnetic devices, and thin-film transistors.
The structural stability of HEOs is closely linked to their entropic characteristics, a relationship that has been corroborated by numerous studies. Additionally, the presence of multiple transition metals with varying oxidation states and ionic sizes enhances their dielectric and magnetic properties. Optical analysis using UV/Vis spectroscopy indicates that the bandgap of (CoCrFeNiMn)3O4 can be systematically tuned, further underscoring the versatility and potential of high-entropy oxides in advanced technological applications.
Methods
In this study, the microstructure and phase composition of the samples were analyzed using scanning electron microscopy coupled with energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM/EDS) and X-ray diffraction (XRD). The SEM/EDS analysis was conducted with a TUSCAN LYRA3 instrument, while the XRD measurements were performed using a RIGAKU3 system, employing Cu Kα radiation (λ = 0.15412 nm) across a 2θ range of 10° to 80°. These techniques facilitated a detailed examination of the samples’ structural characteristics and phase identification, contributing to a comprehensive understanding of their properties.
Additionally, Fourier Transform methods were likely employed for further data analysis, although specific details regarding their application were not provided in the extracted text. Overall, the combination of these advanced analytical techniques enabled a robust investigation of the material’s microstructural features.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant impact of calcination temperature on the properties of high-entropy oxides (HEOs), particularly HEO-850, which exhibits a decreasing bandgap energy that reaches 1.213 eV at 850 °C. This reduction enhances the material’s polarizability, as evidenced by the inverse relationship between the dielectric constant and bandgap energy. The study emphasizes the role of polaron formation in charge transport mechanisms, surface reactivity, and multiferroic behavior, which are influenced by the interactions between transition metal d orbitals and oxygen p orbitals. The findings indicate that the electrical conductivity of transition metal oxides typically follows a small-polaron hopping mechanism, but temperature variations can induce transitions to alternative conduction mechanisms, significantly affecting the composite’s conductivity and dielectric response.
The research further explores the incorporation of HEO-850 into an acrylic polymer matrix, aiming to leverage the advantageous properties of both materials for dielectric applications. The dielectric properties were systematically investigated through dielectric relaxation spectroscopy, revealing that the relative permittivity increases with temperature and filler concentration, particularly near the percolation threshold. The study identifies a complex interplay of factors influencing dielectric behavior, including interfacial polarization and the concentration of HEO-850, which affects charge accumulation and polarization efficiency. Notably, the activation energy associated with the relaxation mechanisms shows a pronounced dependence on filler concentration, with optimal loading enhancing electrical conductivity while excessive loading may lead to diminished performance due to agglomeration effects. Overall, the research underscores the potential of HEOs in developing advanced dielectric materials for energy storage applications.