1 電磁屏蔽材料

1、ACS Appl. Mater. Interfaces: 還原電化學剝離石墨烯薄膜用于高性能電磁干擾屏蔽

二維石墨烯由于其固有電導率、重量輕、即使在較小厚度下也具有良好的機械柔性等優點，在電磁干擾屏蔽方面具有重要應用價值。然而，復雜的合成和質量控制困難限制了其應用。

最近，韓國科學技術院的研究人員報道了電化學剝離石墨烯經后還原處理之后，可成為輕質電磁干擾屏蔽材料的候選材料。這種簡便的電化學剝離方法可以制備出高質量的多層石墨烯，由于氧化程度較低，其電導率高達600 S cm?1。通過化學、熱和微波處理三種不同方法對其還原，發現可導致表面官能團的去除以及薄膜微觀結構的顯著變化。利用微波還原的石墨烯薄膜，由于導電性的提高和大的體積膨脹，在125 μm厚度下表現出108 dB的屏蔽效能，這是石墨烯在相當厚度下迄今報道的最大電磁干擾屏蔽值之一。相關研究成果以“Reduction of Electrochemically Exfoliated Graphene Films for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding”發表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

圖1. 還原電化學剝離石墨烯薄膜用于高性能電磁干擾屏蔽

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https://doi.org/10.1021/acsami.0c22920

2、ACS Nano: 具有優異電磁波吸收性能的多功能磁性Ti3C2Tx MXene/石墨烯氣凝膠

對吸波材料來說，傳統的單組分電介質或鐵氧體難以同時滿足阻抗匹配特性好、抗干擾能力強的要求。因此，設計結構巧妙的多元雜化材料逐漸成為未來高性能吸波材料的主流。

最近，鄭州大學的研究人員提出了一種巧妙的微結構設計和合適的多組分策略，可在薄厚度和低填充水平下實現對電磁波的高效吸收和寬頻吸收。研究人員通過定向冷凍法和肼蒸汽還原法構建了以磁性鎳納米鏈為錨定物的三維（3D）介電Ti3C2Tx MXene/還原氧化石墨烯（RGO）氣凝膠。這種取向結構和異質介電/磁界面通過形成完美的阻抗匹配、多重極化和電/磁耦合效應，從而實現優異的吸波性能。這種超輕的氣凝膠材料（6.45 mg cm?3）表現出?75.2 dB的最小反射損耗（RLmin），即能夠有效吸收99.999996%的電磁波，最寬吸收帶寬為7.3 GHz。此外，良好的結構堅固性、機械性能以及高疏水性和隔熱性能（接近空氣），使這種氣凝膠材料能夠抵抗變形、承受高溫沖擊、適應水或潮濕的環境。相關研究成果以“Multifunctional Magnetic Ti3C2Tx MXene/Graphene Aerogel with Superior Electromagnetic Wave Absorption Performance”為題發表于ACS Nano上。

圖2.  Ti3C2Tx MXene/石墨烯氣凝膠及其吸波性能

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https://doi.org/10.1021/acsnano.0c09982

2 電介質材料

1、ACS Appl. Mater. Interfaces: 通過機器學習對 Gillespite型微波介質陶瓷的Q×f值進行定量預測

微波介質陶瓷是無線通信系統的基礎材料。為了滿足5G/6G的要求，需要開發高Q×f的介質材料，以獲得良好的頻率選擇性、熱穩定性（近零諧振頻率溫度系數τf）以及減少信號延遲（低介電常數εr）。

近期，中國科學院大學和中科院上海硅酸鹽研究所的研究人員對Gillespite型陶瓷ACuSi4O10（A=Ca, Sr, Ba）的結構和介電性能進行了研究。制備得到的(CaxSr1?x)CuSi4O10（0

圖3. 通過機器學習對微波介質陶瓷的Q×f值進行定量預測

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c01909

2、J. Eur. Ceram. Soc.: 微帶貼片天線用高品質因數冷燒結LiF陶瓷

微帶貼片天線（Microstrip Patch Antennas, MPA）具有體積小、重量輕、制作容易、成本低等優點，被廣泛應用于手機、平板電腦等手持通信設備的射頻器件。由于介質基板在優化天線性能（如輻射系數和效率）方面起著重要作用，MPA的有效實現需要高性能的微波介質陶瓷。

最近，杭州電子科技大學的研究人員采用冷燒結和后退火工藝制備了致密的LiF陶瓷，其相對密度可達97.6%。這種陶瓷的Qf值隨冷燒結壓力的增大而增大，在375 MPa時達到最大值134050 GHz，是常規燒結（73800 GHz）的1.82倍，εr值為8.45，τf值為-135 ppm/℃。研究團隊以這種LiF陶瓷為基板設計并制作了一種微帶貼片天線，其S11值為–20.3 dB，在諧振頻率為6.81 GHz時，模擬效率為90.5%，增益為4.25 dB。相關研究成果以“High quality factor cold sintered LiF ceramics for microstrip patch antenna applications”為題發表于陶瓷領域Top期刊J. Eur. Ceram. Soc.上。

圖4. （a）貼片天線示意圖；（b）模擬和測量的S11曲線；（c）測量得到的VSWR；（d）模擬的天線輻射增益和效率隨頻率的變化；（e）E-平面和（f）H-平面的模擬輻射模式。

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https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.03.052

3 熱管理材料

1、ACS Nano: 用于可擴展熱管理應用的高導熱3D打印石墨烯填充聚合物復合材料

在優選方向上的高效熱傳輸有利于解決熱管理問題，而3D打印和二維材料（如石墨烯、BN等）的結合為多級結構設計提供了無限的可能性。

最近，北京大學的研究人員報道了一種石墨烯填充熱塑性聚氨酯復合材料，其在3D打印過程中可形成不對稱排列結構。在45 wt%石墨烯含量下，垂直排列的打印結構表現出高達12 W m–1 K–1的貫通平面熱導率，是水平打印結構的8倍，超過了許多傳統的顆粒增強聚合物復合材料。這主要歸功于各向異性的結構設計，這種結構設計得益于石墨烯良好的取向度和通過精細控制打印參數實現的多尺度致密結構。有限元法也證實了各向異性熱導率設計對高導熱復合材料的本質影響。本研究為開發3D打印石墨烯基聚合物復合材料提供了一種有效的方法，可用于電池熱管理、電子封裝等可擴展的熱相關應用。這項研究工作以“Highly Thermally Conductive 3D Printed Graphene Filled Polymer Composites for Scalable Thermal Management Applications”發表于ACS Nano上。

圖5. 3D打印高導熱石墨烯填充聚合物復合材料

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https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10768

2、Composites Science and Technology: 電子封裝用新型微納環氧復合材料——導熱性與加工性能的平衡

在高功率電子器件中，不僅要求環氧樹脂（Epoxy, EP）復合材料具有良好的綜合加工性能、低的熱膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）和高的導熱系數，對其電絕緣性能的要求也越來越高。然而，雖然微米填料對保持環氧復合材料良好的流動性有積極作用，但對其單位質量的導熱系數沒有明顯提高。盡管高比表面積的納米填料在構建導熱網絡方面擁有很好的前景，但納米填料的分散性難以控制，會導致粘度增加和加工困難。

近期，湖北大學的研究人員報道了一種在EP/S-Al2O3復合物中添加少量銀納米線（AgNWs）的方法，可以極大地提高其導熱性，且不會犧牲其加工性能。由于剛性納米線在球形粒子之間的橋接作用，添加40% S-Al2O3和0.5% AgNWs的微納米EP/AgNWs/S-Al2O3復合材料的熱導率比未添加AgNWs的提高了106.5%。這種微納米填料網絡結構可以彌補單一微米或納米導熱填料的局限性，其最佳綜合性能可達到1.602 W/mK的高導熱系數、55.6 Pa s的低粘度、37.1 ppm/℃的低CTE和152.1℃的高玻璃化轉變溫度（Tg）。這些結果表明將多尺度填料引入環氧復合材料中，可以解決導熱性能與加工性能之間的折衷問題，適合在高功率密度電子器件中應用。相關研究成果以“Novel micro-nano epoxy composites for electronic packaging application: balance of thermal conductivity and processability” 發表于復合材料著名期刊Composites Science and Technology上。

圖6. 微米填料和微米-納米多尺度填料環氧復合材料綜合性能對比

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https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.108760

4 熱電材料

1、Joule: 載流子介導的晶格軟化貢獻熱電半導體的高zT值

低晶格熱導率κL是獲得高質量熱電材料的關鍵。盡管κL與聲速νs之間的關系表明抑制νs可以顯著降低κL，但不在化學上進行大幅改變的情況下改變νs的方法很少。大的聲子速度會導致高的晶格熱導率（κlat），這對熱電性能是不利的。所有好的熱電材料都是重摻雜半導體，其中聲速νs和晶格熱導率κL通常被認為與電子摻雜無關。

最近，美國西北大學的研究人員證實在八種人們熟知的熱電半導體材料中，電子摻雜直接抑制νs，并揭示了載流子密度nH是觀察到的晶格軟化的主要原因。這種晶格軟化足以降低κL，顯著提高熱電優值。在p型SnTe和n型La3-xTe4中，當nH從1019增加到1021 cm-3時，νs分別降低了16%和20%，這足以使κlat降低近50%。在高性能材料（zTmax>1）中，這種巨大的軟化效應可以通過抑制總熱導率貢獻最佳熱電優值（zTmax）的25%。這一發現表明，雖然重摻雜熱電半導體的研究已經超過五十年，但是載流子介導的晶格軟化對其性能的影響一直沒有得到重視，對固體熱傳輸的理解也必須重新考慮。這項研究成果以“Charge-carrier-mediated lattice softening contributes to high zT in thermoelectric semiconductors”發表于Joule上。

圖7. 載流子介導的晶格軟化貢獻熱電半導體的高zT值

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https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.009

2、Joule: 具有大原子尺寸失配引起的晶體-非晶二元性的熱電材料

探索和發現新的高性能材料一直是科學、工程和技術的永恒追求。近日，上海交通大學的研究人員及其合作者報道了一個高性能熱電材料系列(Cu1?xAgx)2(Te1?ySy)（0.16≤x≤0.24，0.16≤y≤0.24），它采用與(Cu/Ag)2(S/Te)的任何已知晶體結構不同的復雜正交結構，其結構特征為S/Te尺寸失配誘導的晶體-非晶二元性，即高度尺寸錯配的陰離子Te/S的晶態亞晶格與陽離子Cu/Ag的類非晶態亞晶格共存。在結構-性質關聯的背景下，晶體-非晶二元性不僅產生了有趣的電學性質，而且在300到1000 K范圍內產生了極低的晶格導熱系數。在x=y=0.22的樣品中，獲得了2.0的最先進的熱電優值zT。這些結果證明晶體-非晶二元性是一種超越經典的發展高性能熱電材料的范式。這項研究工作以“Thermoelectric materials with crystal-amorphicity duality induced by large atomic size mismatch”為題發表于Joule上。

圖8. 大原子尺寸失配引起的具有晶體-非晶二元性的熱電材料

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https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.012

5 納米金屬材料

1、Acta Materialia: 非均質納米結構Cu中納米孿晶束的各向異性強化

當高密度的納米孿晶嵌入納米晶粒基體中時，可以實現高強度，同時保持相當大的斷裂韌性。因為孿晶束能有效地阻止位錯運動；同時，它們為位錯積累和儲存提供了充足的空間，并能防止微孔形核和斷裂。

最近，中國科學院金屬研究所的研究人員報道了由各向同性納米晶粒基體和各向異性納米孿晶束組成的非均質納米結構銅在與孿晶邊界（twin boundaries, TBs）平行、法向、45°加載方向下的各向異性拉伸行為。與均質納米孿晶的各向異性強化效應不同，這種異質結構在平行拉伸下表現出最高的強度，在法向拉伸下表現出中等強度。分析表明，納米孿晶束與納米晶粒基體之間存在依賴取向的變形協調，即平行取向的協調變形；但在法向和45°方向上明顯不協調。這一結果表明非均質納米結構中納米孿晶的強化效應不僅取決于其自身的強度，而且還受與周圍組分變形協調的影響。依賴于取向的變形協調源于納米晶粒基體中各向同性剪切帶與納米孿晶束中各向異性變形的相互作用。相關研究成果以“Anisotropic strengthening of nanotwin bundles in heterogeneous nanostructured Cu: Effect of deformation compatibility”發表于頂級期刊Acta Materialia上。

圖9. 非均質納米結構Cu中納米孿晶束的各向異性強化：變形協調的影響

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116830

6 先進封裝

1、Nature Electronics: 用激光太赫茲發射顯微鏡表征硅通孔

硅通孔（Through-Silicon Vias, TSVs）提供了不同芯片層之間縮短垂直互連的方法，與傳統的引線鍵合方案相比，速度更快，功耗更低。TSVs通常采用高深寬比硅蝕刻，然后沉積用于電絕緣的薄二氧化硅（SiO2）介質襯墊，并用銅等金屬填充空通孔。目前，唯一能夠表征非電接觸TSVs內襯厚度和均勻性的測量技術是橫截面透射電子顯微鏡（TEM）。然而，由于這種方法的破壞性，它不適合線上計量，這給計量學帶來了新的挑戰。

最近，比利時微電子研究中心（IMEC）和日本大阪大學的研究人員報道了一種TSVs的表征方法，該方法基于檢測TSVs內襯界面的激光誘導太赫茲輻射，為無損和非接觸過程計量提供了機會。研究團隊利用飛秒激光脈沖在TSVs耗盡場中激發瞬態電偶極子，觀察到太赫茲輻射。檢測到的太赫茲波形提供了關于局部耗盡場的信息，從而提供了關于絕緣膜的結構信息。通過對太赫茲脈沖進行飛行時間測量，還可以提取硅片厚度等信息。相關研究成果以“Characterization of through-silicon vias using laser terahertz emission microscopy”發表于Nature Electronics上。

圖10. TSVs中激光誘導的太赫茲發射

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https://www.nature.com/articles/s41928-021-00559-z

文字|科研與產業部戰略研究辦

編輯|綜合管理部文宣辦