1 熱管理材料
1、ACS Nano：氮化鋁薄膜的高面內熱導率
熱點（hot spots）的散熱問題對電子器件高效可靠的運行一直是個瓶頸。盡管已經有不同的技術（如電源管理、改進封裝技術、熱電制冷、熱沉設計等）來解決這個問題，這些方案往往需要偏離最有效的電子器件幾何結構以獲得散熱增益。解決這一問題的理想方法是開發高面內熱導率的非金屬材料。然而，縮小這些材料的尺寸往往會導致熱導率的大幅下降，使其不適用于功能器件。
最近，美國弗吉尼亞大學機械與航天工程系、材料科學與工程系、物理系的Patrick E. Hopkins教授課題組報道了3.05、3.75和6 μm厚的氮化鋁（AlN）薄膜通過穩態熱反射法測得的高面內熱導率。在室溫下，AlN薄膜的面內熱導率可達~260±40 W/m?1K?1，是迄今所有薄膜材料等效厚度下的最高值之一。在低溫下，AlN薄膜的面內熱導率甚至超過了金剛石薄膜。與傳統高熱導率薄膜不同的是，這種AlN薄膜的面內熱導率隨溫度降低而增加。這項研究提供了邊界、缺陷、聲子-聲子散射之間相互作用的新認識，并證實這種AlN薄膜是一種很有前途的電子器件散熱材料。相關研究工作以“High In-Plane Thermal Conductivity of Aluminum Nitride Thin Films”為題發表于ACS Nano上。
圖1. 氮化鋁薄膜的高面內熱導率
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https://doi.org/10.1021/acsnano.0c09915
2、Nano Lett.：具有聚乙烯吡咯烷酮（PVP）夾層的銀納米線的接觸熱阻
聚合物因其良好的力學性能和相對低的成本而被廣泛應用。然而，通常情況下聚合物的導熱系數很低（~0.1 W/(m·K)），這限制了它們在電子器件中的應用。為此，各種納米填料被用來與聚合物形成納米復合材料，以提高它們的熱導率。人們普遍認為，相鄰納米顆粒之間的接觸熱阻在限制復合材料熱導率提高方面起著重要作用，但缺乏直接的實驗證據。
最近，美國范德堡大學機械工程系Deyu Li教授課題組報道了具有聚乙烯吡咯烷酮（poly(vinylpyrrolidone), PVP）夾層的銀納米線（AgNWs）的接觸熱阻的直接測量。結果表明，與裸露的銀納米線相比，即使有更大的接觸面積，當PVP層厚度為4 nm時，可使總接觸熱阻提高1個數量級。另一方面，PVP/銀界面的邊界熱阻比聚合物?碳納米管（carbon nanotubes, CNTs）的要小得多。這進一步說明了為什么AgNWs是比CNTs更為有效的納米填料。這項研究工作以“Contact Thermal Resistance between Silver Nanowires with Poly(vinylpyrrolidone) Interlayers”發表于Nano Lett.上。
圖2. 具有聚乙烯吡咯烷酮（PVP）夾層的銀納米線的接觸熱阻
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https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01034
3、Carbon：智能熱界面材料——導熱、自愈、有彈性的聚酰亞胺@垂直取向碳納米管復合材料
熱界面材料（thermal interface materials, TIMs）通過填充兩個表面之間的間隙來增強跨界面的熱傳遞。TIMs通常具有高導熱系數（k）、高彈性變形和良好的表面接觸以保證有效的聲子遷移率和低界面熱阻。智能TIMs能夠通過激活其獨特的功能來識別、響應、適應環境變化和結構損傷。然而，大多數導熱材料不能自我修復。因此，開發新型智能TIMs，使其既具有自愈性又具有高度的可控性，具有十分重要的意義。
近期，天津大學和鄭州大學的研究人員報道了一種導熱、自愈、有彈性的聚酰亞胺@垂直取向碳納米管復合材料，其k值高達10.83±0.22 W m-1 K-1，界面熱阻低至6.83±0.15 K mm2 W-1，且彈性壓縮變形高（2.5 MPa時為30%），表面附著力強（0.3 MPa）。在80 ℃自愈后，可恢復90.8%的彈性模量和92%的熱阻。研究人員還展示了基于這種復合材料的器件，不僅可在高達30%的梯度壓縮應變后恢復，還可對損傷進行自愈，從而實現有效導熱。相關研究工作以“Thermally conductive, self-healing, and elastic Polyimide@Vertically aligned carbon nanotubes composite as smart thermal interface material”為題發表于Carbon上。
圖3. 導熱、自愈、有彈性的聚酰亞胺@垂直取向碳納米管復合材料
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https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.04.055
2 電磁屏蔽材料
1、Adv. Funct. Mater.：通過協同保護蝕刻策略制備Co@N摻雜碳納米籠用于超高效微波吸收
近年來，熱解金屬-有機框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）已成為有前景的微波吸收候選材料，因為這些衍生物具有多孔微結構和可調的的磁性/介電組分。然而，大多數MOFs衍生的吸波材料需要相對較高的填充率，且碳化過程中微結構的坍塌、化學成分難以控制以及原位還原金屬顆粒的聚集等問題還有待解決。
最近，西北工業大學和復旦大學的研究人員提出了一種新的可控協同保護蝕刻策略，可制備得到具有均勻異質結和多級微-介-大孔的空心Co@N摻雜碳納米籠。外層的Co@N摻雜碳殼具有微介孔，由高分散的核殼異質結組成，而內層的空心大孔則賦予這種吸波材料以輕質的特性。這種吸波材料在2.4 mm厚度下的最大反射損耗為-60.6 dB，吸收帶寬在1.9 mm時達到5.1 GHz，而填充量僅為10 wt%，表現出優異的比反射損耗。這種協同保護蝕刻策略為在其他MOFs晶體中精確創建空心孔洞提供了靈感，并拓寬了輕質高效微波吸收材料的候選種類。相關研究工作以“Hollow Engineering to Co@N-Doped Carbon Nanocages via Synergistic Protecting-Etching Strategy for Ultrahigh Microwave Absorption”發表于Adv. Funct. Mater.上。
圖4. 空心Co@NCNs制備流程示意圖
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https://doi.org/10.1002/adfm.202102812
2、ACS Nano：用于高性能電磁屏蔽的超薄、高強度、高柔性Ti3C2Tx-MXene/細菌纖維素復合薄膜
對電磁干擾屏蔽應用而言，具有導電性、高機械強度的超薄薄膜的制備是一個挑戰。
近期，華東交通大學與天津大學的研究人員通過可擴展的原位生物合成方法開發了一款超薄、堅固、高柔性的Ti3C2Tx-MXene/細菌纖維素（Bacterial Cellulose, BC）復合薄膜。Ti3C2Tx-MXene納米片均勻地分散于三維BC網絡中，形成機械纏結結構，賦予MXene/BC復合薄膜優異的機械性能（在25.7 wt% Ti3C2Tx時拉伸強度為297.5 MPa）和柔性。4 μm厚度的Ti3C2Tx/BC復合薄膜（Ti3C2Tx含量為76.9 wt%）表現出29141 dB cm2 g?1的比屏蔽效能，超過了大多數先前報道的具有相似MXene含量的MXene基聚合物復合材料和碳基聚合物復合材料。這項研究工作以“Ultrathin, Strong, and Highly Flexible Ti3C2Tx MXene/Bacterial Cellulose Composite Films for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding”發表于ACS Nano上。
圖5. 用于高性能電磁屏蔽的超薄、高強度、高柔性Ti3C2Tx-MXene/細菌纖維素復合薄膜
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https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10666
3、ACS Nano：用于超高性能電磁屏蔽和可穿戴應用的多功能蜂窩多孔石墨烯
具有超低密度、優異柔性以及良好力學性能的高性能電磁干擾屏蔽材料是航空航天和可穿戴電子產品的理想選擇。
最近，清華大學的研究人員報道了一種利用激光刻劃技術制備的蜂窩多孔石墨烯（honeycomb porous graphene, HPG），可用于電磁干擾屏蔽和可穿戴應用。由于采用蜂窩狀結構，HPG在厚度為48.3 μm的情況下，屏蔽效能（shielding effectiveness, SE）高達45 dB。單片HPG具有240 123 dB cm2/g的超高絕對屏蔽效能（SSE/t）和0.0388 g/cm3的超低密度，優于先前所報道的材料，如碳基、MXene和金屬材料。此外，采用MXene和AgNWs覆蓋HPG的蜂窩孔，可以提高表面反射，所得到的HPG/AgNWs復合薄膜的SSE/t可達292 754 dB cm2/g。更重要的是，HPG在循環拉伸和彎曲中表現出優異的機械穩定性和耐久性，可用于監測微弱的生理信號，如脈搏、呼吸、喉部運動等。這種輕量化的柔性HPG具有優異的電磁屏蔽性能和力學性能，且成本低，易于批量生產，在電磁屏蔽和可穿戴電子領域具有廣闊的應用前景。相關研究成果以“Multifunctional Graphene Microstructures Inspired by Honeycomb for Ultrahigh Performance Electromagnetic Interference Shielding and Wearable Applications”為題發表于ACS Nano上。
圖6. 用于超高性能電磁屏蔽和可穿戴應用的多功能蜂窩多孔石墨烯
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https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01552
3 電介質材料
1、Adv. Mater.：同時具有超高能量密度和低損耗的聚合物電介質
聚合物電介質由于其低成本、高擊穿強度和獨特的自愈能力，在電容器應用中是非常理想的介質材料。然而，現有的聚合物電介質要么能量密度低，要么介電損耗大，阻礙了小型、高效、可靠電力電子技術的發展。
近期，美國賓夕法尼亞州立大學的研究人員報道了一種新型的聚合物電介質材料，同時表現出極高的可恢復能量密度（35 J cm-3）和低介電損耗。這種材料是通過將兩性離子接枝到聚（4-甲基-1-戊烯）（PMP）基共聚物的短側鏈上得到的，使其介電常數從2.2提高至5.2，并顯著提高了其擊穿強度（從700 MV m-1提高至1300 MV m-1）。在保持低介電損耗（<0.002）的同時，實現了>90%的高充放電效率。模擬和理論分析表明，兩性離子接枝共聚物獲得高能量密度和低介電損耗可歸因于共價鍵限制離子極化和兩性離子的強電荷俘獲。這一發現為開發同時具有高能量密度和低介電損耗的聚合物電介質提供了一種新的策略。這項研究工作以“Polymer Dielectrics with Simultaneous Ultrahigh Energy Density and Low Loss”為題發表于材料領域頂級期刊Adv. Mater.上。
圖7. 與文獻已報道的高儲能密度聚合物電介質性能對比
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https://doi.org/10.1002/adma.202008198
2、美陶：面向5G毫米波應用的帶有Y3Al5O12透明介質陶瓷的介質諧振器天線
微波介質陶瓷被認為是介質諧振器的關鍵材料之一，在第五代移動通信（5G）系統中具有非常廣闊的應用前景。
最近，西安交通大學的研究人員及其合作者利用高純度的α-Al2O3和Y2O3制備得到了高品質因數Y3Al5O12（YAG）透明介質陶瓷，在1780 ℃下燒結12小時，其最佳相對介電常數εr~10.53，品質因數Q×f~95270 GHz（@7.37 GHz），諧振頻率溫度系數（TCF）-51.7 ppm ℃-1。研究人員基于這種陶瓷設計了一種介質諧振器天線（Dielectric Resonator Antenna, DRA），可提供4.193 GHz（范圍從21.90 GHz到26.09 GHz）的寬阻抗帶寬（S11<-10 dB），92.1%的輻射效率和緊湊的DR單元。這種DRA在5G毫米波MIMO天線單元具有潛在應用價值。相關研究工作以“Dielectric Resonator Antenna with Y3Al5O12 Transparent Dielectric Ceramics for 5G Millimeter-Wave Applications”發表于陶瓷領域Top期刊J. Am. Ceram. Soc.上。
圖8. (a)-(c) 用于天線測量的微波暗室和矩形DRA原型；(d) 矩形DRA單元的S11測量值和模擬值。
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https://doi.org/10.1111/jace.17878
3、ACS Appl. Mater. Interfaces：集成在硅襯底上的高儲能性能鐵電(Ba,Sr)(Zr,Ti)O3薄膜電容器
鈦酸鋇（BaTiO3）基鐵電材料具有大的介電常數和高的飽和極化強度，且擁有儲存或提供高能量密度和高功率密度電能的潛力，因而受到廣泛研究。
最近，為了進一步提高其能量效率η和可恢復能量密度Wrec，湘潭大學和山東大學的研究人員采用A,B位共摻(Ba0.95,Sr0.05)(Zr0.2,Ti0.8)O3陶瓷靶在硅襯底上濺射沉積了薄膜電容結構。這種薄膜的成分降低了剩余極化Pr，而選擇低溫模板濺射工藝有利于形成高密度柱狀納米顆粒陣列（平均直徑d~20 nm）和晶界無效層（dead layers）。這種自組裝的納米結構進一步延遲了極化的飽和，導致了~148 J/cm3的高能量密度Wrec和~90%的高能量效率η。此外，(Ba0.95,Sr0.05)(Zr0.2,Ti0.8)O3薄膜電容器在較寬的工作溫度（?175?300 ℃）和工作頻率（1 Hz?20 kHz）范圍內保持了較高的儲能性能，并且在高達2×109個循環周期內不會疲勞。這一工作提供了一種新的方法和一種低成本的工藝路線來開發和集成用于儲能應用的高性能介質電容器。相關研究工作以“High Energy Performance Ferroelectric (Ba,Sr)(Zr,Ti)O3 Film Capacitors Integrated on Si at 400 ℃”發表于應用材料著名期刊ACS Appl. Mater. Interfaces上。
圖9. 集成在硅襯底上的高儲能性能鐵電(Ba,Sr)(Zr,Ti)O3薄膜電容器
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https://doi.org/10.1021/acsami.1c01275
4、Phys. Rev. Lett.：鐵電電容器的輸運理論
鐵電體和鐵磁體中電偶極子和磁偶極子的自發有序甚至在高溫下也很有趣和有用。磁的輸運以自旋電流的形式得到了大量研究，但鐵電序的極化電流卻沒有引起人們的注意。
近日，日本東北大學的研究人員基于一維聲子模型參數，提出了一個平面鐵電電容器熱輸運和極化輸運的含時擴散理論。他們還預測了等待實驗驗證的穩態塞貝克（Seebeck）效應和瞬態珀耳帖（Peltier）效應。相關研究工作以“Theory of Transport in Ferroelectric Capacitors”為題發表于物理學頂級期刊Phys. Rev. Lett.上。
圖10. （左）有序鐵電平面電容器；（右）施加的溫度偏差產生一個穩態極化累積（或化學勢）分布μ。
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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.187603
4 熱電材料
1、Adv. Energy Mater.：p型塑性無機熱電材料
可變形熱電材料在自供電柔性或異型電子器件中有著巨大的應用潛力。近年來，在幾種無機半導體材料中發現了優異的室溫塑性，這使得開發具有高性能和固有可變形性的新型熱電材料成為可能。盡管如此，所有已知的塑性或韌性熱電材料都是n型半導體。因此，迫切需要探索p型熱電材料。
最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所的研究人員及其合作者報道了第一種p型塑性無機熱電材料(Ag1-xCux)2S0.7Se0.3（x=0.7-0.8），可同時實現良好的塑性和p型電導。特別地，六方結構的(Ag1-xCux)2S0.7Se0.3在800 K時表現出0.42的最大zT值。通過引入Cu缺陷，可以保持良好的塑性，而在800 K時的最大zT值大幅提高至0.95，這是塑性熱電材料的記錄最高值。這項研究有望促進塑性熱電半導體和全無機可變形熱電器件在異型發電機中的應用。相關研究工作以“p-Type Plastic Inorganic Thermoelectric Materials”發表于Adv. Energy Mater.上。
圖11. (a) 某些典型Cu和Ag基材料熱電優值對比；(b) (Ag1-xCux)2S0.7Se0.3的室溫Seebeck系數S和最大彎曲應變隨Cu含量的變化
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https://doi.org/10.1002/aenm.202100883
2、Sci. Adv.：在GeTe合金中實現14%的單臂熱電效率
熱電技術可實現制冷和發電應用中熱和電的直接轉換。GeTe合金作為一種高效的熱電材料，近年來受到廣泛關注。
最近，同濟大學的研究人員以GeTe-Cu2Te-PbSe合金為基礎制備了一種在440 K的溫度梯度下轉換效率高達14%的單臂熱電器件。在工作溫度范圍內，其熱電優值（zT）峰值大于2.5，平均zT值為1.8。材料的高性能歸因于載流子濃度的優化和增強的聲子散射。Ag/SnTe/GeTe接觸的設計成功防止了化學擴散，并使界面接觸電阻率達到8 μΩ·cm2，從而實現了具有良好穩定性、耐久性的高效器件。這項工作證明了GeTe合金在高效熱電廢熱回收方面的獨特性。相關研究工作以“Realizing a 14% single-leg thermoelectric efficiency in GeTe alloys”為題發表于Sci. Adv.上。
圖12. (a) 熱電優值zT隨溫度的變化；(b) 重復測量結果及其與已知高性能熱電材料的對比
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DOI: 10.1126/sciadv.abf2738
3、Adv. Sci.：中熵高性能立方GeTe熱電材料
構型熵是功能材料基因組中一個新興的描述符。在熱電材料中，構型熵有助于調整載流子遷移率和晶格熱導率之間的微妙平衡以及結構相變（如果有的話）。以GeTe為例，低熵GeTe一般具有較高的載流子遷移率和顯著的zT（>2），但其菱方-立方相變限制了其應用。相反，盡管高熵GeTe具有立方結構和超低的晶格熱導率，但其低的載流子遷移率導致其zT值不高。
最近，深圳大學、新加坡國立大學和浙江大學的研究人員采用中熵合金化方法抑制相變，獲得了具有超低晶格熱導率和良好載流子遷移率的立方GeTe。這種立方Ge0.63Mn0.15Pb0.1Sb0.06Cd0.06Te材料在873 K時的zT值達到2.1，在300-873 K范圍內的平均zT值達到1.3。此外，還獲得了創紀錄的維氏硬度（270）。這些結果不僅促進了GeTe材料的實際應用，也為熵工程（entropy engineering）的新興領域帶來了突破。相關研究成果以“Medium Entropy-Enabled High Performance Cubic GeTe Thermoelectrics”發表于Adv. Sci.上。
圖13. 中熵Ge0.63Mn0.15Pb0.1Sb0.06Cd0.06Te熱電材料的顯微結構
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https://doi.org/10.1002/advs.202100220
文字|科研與產業部戰略研究辦
編輯|綜合管理部文宣辦