1 電磁屏蔽材料

1、Advanced Materials: 含有準一維范德華填料的電絕緣柔性薄膜用于GHz和亞太赫茲頻段的高效電磁屏蔽

具有準一維晶體結構的范德華材料，特別是過渡金屬三鹵化物（transition metal trichalcogenides, TMTs）材料因其可被剝離成納米線或納米帶結構而引起了人們的興趣。使用這種準一維范德華材料（如TaSe3）作為高長寬比金屬性填料，可以使聚合物復合材料在寬頻范圍內具有電磁干擾屏蔽性能。

最近，加州大學Riverside分校Alexander A. Balandin教授課題組開發了一種含有準一維范德華填料的聚合物復合薄膜，填料采用具有一維結構的TMTs，能被剝離成原子線束。這種納米結構的特點是長寬比高達~106。準一維TaSe3填料很低（<3 vol%）的情況下，該聚合物復合材料在X波段（8.2-12.4 GHz）和極高頻的亞太赫茲頻段（220-320 GHz）具有良好的電磁干擾屏蔽性能，且能同時保持直流電絕緣。薄膜的獨特電磁屏蔽特性是由于電磁波與高長寬比導電TaSe3原子線束的有效耦合，即使填料含量低于電滲流閾值。這種新型薄膜具有柔性、重量輕、耐腐蝕、價格低廉、電絕緣等特點，有望在高頻通信技術領域得到應用。相關研究成果以“Electrically Insulating Flexible Films with Quasi-1D van der Waals Fillers as Efficient Electromagnetic Shields in the GHz and Sub-THz Frequency Bands ”為題發表于材料領域頂級期刊Advanced Materials上。

圖1. 不同填料聚合物復合材料的電磁屏蔽特性對比。（a）厚度歸一化的比屏蔽效能SSE/t；（b）填料重量分數歸一化的比屏蔽效能ZB。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202007286

2、Matter: 開/關可調的智能電磁干擾屏蔽氣凝膠

電磁輻射污染會干擾電子設備的工作，造成信息泄漏，威脅人體健康，因而電磁干擾（EMI）屏蔽材料是防止電磁輻射污染的重要材料。與屏蔽性能固定的傳統屏蔽材料相比，智能型EMI屏蔽材料可以根據具體的應用要求和環境實時變化，具有動態可調的性能，是未來更為理想的EMI屏蔽材料。因此，具有電磁波響應可調特性的智能電磁干擾屏蔽材料是未來電磁器件的研究熱點。

最近，北京航空航天大學材料科學與工程學院的研究人員制備了一種基于層狀碳氣凝膠的智能電磁屏蔽材料，它可以通過壓縮和卸壓實現電磁波傳輸和屏蔽之間的可逆功能轉換。這種智能材料是通過將導電碳納米顆粒填充到木質層狀碳氣凝膠中制備而成，具有可逆壓縮性和對應變敏感的導電性。初始狀態的氣凝膠具有阻抗匹配好、介電損耗小、允許電磁波穿透等特點，在機械壓縮下，碳納米顆粒在氣凝膠中建立高導電通道，從而顯著提高其導電性，激活其電磁干擾屏蔽性能。這種功能的開關是可逆的，可通過反復壓縮和卸壓來實現。這項研究為電磁響應的動態切換提供了一個獨特的模型，也為構建多功能智能電磁響應系統提供了機會。相關研究成果以“Off/on switchable smart electromagnetic interference shielding aerogel ”為題發表于Matter上。

圖2. 開/關可調的智能電磁干擾屏蔽氣凝膠。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.02.022

2 熱管理材料

1、Nature Materials: 基于二維共價有機框架的超低k導熱介質層

隨著微處理器的小型化，低介電常數（low-k）材料是限制電子串擾、電荷積累和信號傳播延遲的必要材料。然而，所有已知的低k電介質都表現出較低的熱導率，這使其無法滿足高功率密度芯片的散熱需求。二維（2D）共價有機框架（Covalent Organic Frameworks, COF）擁有大的永久孔隙率（導致低介電常數）和周期性層狀結構（產生相對較高的熱導率）。然而，傳統的2D COF合成路線不適合這些特性（熱導率、介電常數）的評估，也不便與器件的集成。

最近，美國西北大學的研究人員及其合作者報道了一種高質量COF薄膜的制備方法，使得熱反射和阻抗譜測量成為可能。測量結果表明，2D COF具有很高的熱導率（1 Wm?1K?1）和超低的介電常數（k=1.6）。這項研究工作表明取向層狀2D聚合物是很有前途的下一代介電層材料，這種分子級精確可調的材料也為各種有用性能組合的調控提供了可能。相關研究成果以“Thermally conductive ultra-low-k dielectric layers based on two-dimensional covalent organic frameworks”為題發表于Nature Materials上。

圖3. 不同材料熱導率和介電常數的關系。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41563-021-00934-3

2、J. Mater. Chem. A: 兼具熱管理和電磁屏蔽功能的導熱不可燃石墨烯納米片交聯聚芳酰胺納米纖維紙

隨著可穿戴電子設備的快速發展，人們對同時具有超堅固、導熱、不易燃和電磁干擾（EMI）屏蔽特性的多功能膜的需求越來越高。然而，通常情況下，這類多功能膜（紙）的可擴展性和機械柔性較差，這阻礙了其實際應用。

最近，國立韓國交通大學的研究人員提出了一種蒸發誘導自組裝方法，用于大規模制備具有珍珠仿生結構的石墨烯納米片（graphene nanoplatelet, GnP）交聯聚芳酰胺納米纖維（aramid nanofiber, ANF）紙。通過二維GnP和一維ANFs之間的化學交聯，成功實現了優異的韌性和耐折性，同時集成了其他多種功能特性。這種紙在10000次彎曲循環后表現出優異的極限拉伸強度（437 MPa）、楊氏模量（19.7 GPa）、韌性（23.9 MJ m-3）以及優異的折疊耐久性。此外，高度有序排列的GnP導致了前所未有的導熱性和導電性，在超薄厚度21 μm下，這種紙顯示出極好的面內導熱性（高達68.2 W m-1 K-1）和優異的EMI屏蔽性能（高達11 060 dB cm2 g-1），與一些商用金屬/合金相當。這種材料不僅具有優異的機械柔性、導熱性能和電磁干擾屏蔽性能，還可以大規模制備，這為其在自動汽車、飛行器和可穿戴設備的先進熱管理材料中的實際應用鋪平了道路。相關研究成果以“Scalable ultrarobust thermoconductive nonflammable bioinspired papers of graphene nanoplatelet crosslinked aramid nanofibers for thermal management and electromagnetic shielding”為題發表于J. Mater. Chem. A上。

圖4. （a）不同填料含量下的熱導率；（b）面內熱導率對比；（c）抗拉強度和面內熱導率對比；（d）不同填料含量納米復合材料的面內熱導率對比；（e）OLED表面溫度；（f）OLED的亮度（有紙和無紙）。

論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D0TA12306D

3 電介質材料

1、Chem. Eng. J.: 通過表面平整化提高全聚合物薄膜的介電擊穿強度和儲能性能

介電儲能材料的能量密度取決于它能承受的最大電場（擊穿強度Eb）、介電常數（Dk）和充放電效率（η），其中如何提高介電常數和擊穿強度是一項主要挑戰。聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene, PTFE）薄膜是一種用途廣泛的聚合物電介質材料，具有優異的耐熱性，可在高溫下使用（高達200℃），但其擊穿強度很大程度上取決于表面平整度。

最近，深圳先進電子材料國際創新研究院于淑會研究員及其合作者提出了使用環氧樹脂對PTFE薄膜的表面進行平整化的方法，通過采用具有良好流動性、介電常數比PTFE更高的環氧樹脂對PTFE薄膜表面的凹坑進行填充，來改善其儲能性能。研究發現，通過以上方法，可以獲得555 kV/mm的高擊穿強度，是純PTFE薄膜的134%，室溫介電常數提高至2.3，放電能量密度為3.58 J/cm3（純PTFE薄膜的2.2倍），放電效率為98%。在150 ℃下，這種材料的放電能量密度仍然高達1.93 J/cm3，效率為99%。這種聚合物電介質薄膜的表面處理工程對實際應用中提高儲能性能具有重要意義。相關研究成果以“Enhancement of dielectric breakdown strength and energy storage of all-polymer films by surface flattening”發表于Chem. Eng. J.上，深圳先進電子材料國際創新研究院于淑會研究員和中科院微電子研究所曹立強研究員為共同通訊作者。

以上研究工作得到了國家自然科學基金委（51907194、51777209、U20A201735）、深圳市科技創新委員會（ZG8Y）、科技部國家重點研發計劃（2017YFB0406300）、深圳市孔雀項目（KQJSCX20170731163718639）和上海市電氣絕緣與熱老化重點實驗室開放項目的經費支持。

圖5. 薄膜的高溫儲能性能。（a）D-E回線；（b）100 ℃和150 ℃下充放電效率（η）隨外加電場的變化；（c）不同溫度下的最大電位移（Dmax）；（d）100℃和150 ℃下放電能量密度（Ud）隨外加電場的變化。

論文鏈接：DOI: 10.1016/j.cej.2021.128476

2、J. Am. Ceram. Soc.: 一種具有高品質因數的低溫燒結微波介質陶瓷SrZnV2O7

現代通信技術的飛速發展對微波器件提出了更高的要求。為了滿足器件制造的要求，微波介質陶瓷應具有合適的介電常數（εr）、高品質因數（Qf）和接近零的諧振頻率溫度系數（τf）。近年來，低溫共燒陶瓷（Low temperature co-fired ceramics, LTCC）技術因其能有效減小器件體積，實現器件的小型化、集成化和模塊化而備受關注。在LTCC中，陶瓷需要與金屬電極（如Ag）共燒，這要求較低的燒結溫度（<961 ℃，Ag的熔點）和與電極的化學相容性。

最近，湖南大學電氣與信息工程學院的研究人員采用傳統固相燒結方法，合成了一種低溫燒結的SrZnV2O7陶瓷，其εr值為11.28，Qf值為56660 GHz，τf值為?27.2 ppm/℃。該陶瓷在740 ℃下低溫燒結4 h即可致密化，并且與Ag化學相容，這使其成為LTCC技術的潛在候選材料。相關研究成果以“SrZnV2O7: A low-firing microwave dielectric ceramic with high quality factor”發表于陶瓷領域頂級期刊J. Am. Ceram. Soc.上。

圖6. 不同溫度下燒結的SrZnV2O7陶瓷的相對密度、介電常數、Qf值和τf值。

論文鏈接：https://doi.org/10.1111/jace.17762

4 熱電材料

1、Advanced Materials: 具有良好適形性和熱電性能的塑性Ag20S7Te3

異型熱電溫差發電機（thermoelectric generators, TEGs）可以為海底輸油管道安全監測系統中的傳感器提供動力，但由于缺乏既具有良好形狀適應能力又具有高的熱電性能的材料，其發展受到很大限制。

最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所的研究人員報道了一種新型的高韌性無機熱電材料Ag20S7Te3。在300-600 K時，其結晶為體心立方結構，其中S和Te原子隨機占據（0，0，1）位。因為（10-1）[010]滑移系更小的層錯能，Ag20S7Te3表現出比Ag2S更好的延展性，從而具有良好的形狀適應性。此外，Ag20S7Te3具有高的載流子遷移率和低的晶格熱導率，在600 K時，其最大熱電優值（zT）為0.80，與最好的商用Bi2Te3基合金相當。研究人員展示了由10個Ag20S7Te3條帶組成的TEG樣機，在70 K的溫差下，其開路電壓為69.2 mV，最大輸出功率為17.1 μW。這項研究為實現異型TEG開辟了一條新的途徑。相關研究成果以“Ductile Ag20S7Te3 with Excellent Shape-Conformability and High Thermoelectric Performance”發表于材料領域頂級期刊Advanced Materials上。

圖7. （a）異型TEG制造過程示意圖；（b）等效電路；（c）工作時的紅外相機照片；（d）在30 K和70 K溫差下輸出電壓（V）和輸出功率（P）隨電流（I）的變化。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202007681

文字 | 科研與產業部戰略研究辦

編輯 | 綜合管理部文宣辦