1 電介質材料

1、Matter：通過合理設計共混物中的鏈堆積行為獲得高溫聚合物創紀錄的高擊穿強度

聚合物以其重量輕、柔軟、耐腐蝕、易加工、成本低而獲得廣泛應用。消除聚合物中的亞微米空洞和自由體積是主要挑戰。例如，高溫聚合物的這些弱點會嚴重降低其擊穿電場（Eb），這對于電子和電氣應用至關重要。

最近，美國賓夕法尼亞州立大學的研究人員及其合作者提出了一個通用的、可擴展的策略，利用聚合物共混體系的鏈間靜電力減少上述弱點。結果表明，在聚酰亞胺（Polyimide，PI）與聚醚酰亞胺（poly(ether imide)，PEI）共混物中，兩種高溫聚合物之間的強鏈間靜電相互作用產生了延長的聚合物鏈構象，形成緊密鏈堆積，并相應減少了聚合物中的弱點。這導致Eb在室溫下增強65%以上，在200℃下增強35%。這一策略可最大限度地減少弱點，在寬溫度范圍內增強高溫聚合物的Eb。此外，研究結果也為減少其他應用中的弱點鋪平了道路，例如用于電子封裝和熱界面的聚合物的導熱性增強。相關研究工作以“High-temperature polymers with record-high breakdown strength enabled by rationally designed chain-packing behavior in blends”為題發表于Matter上。

圖1. 一種提高聚合物擊穿強度的新策略

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https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.04.026

2、Science：機械位錯壓印控制鐵電體塊材的極化

缺陷對于從半導體、超導體到鐵電體等功能材料的性能調控是至關重要的。盡管點缺陷已被廣泛利用，但位錯通常被認為是功能材料的問題，而不是作為一種微觀結構工具。

最近，德國達姆施塔特工業大學（Technical University of Darmstadt）的研究人員及其合作者開發了一種機械壓印位錯網絡的方法，可以使鐵電體塊材中的疇結構發生扭轉，從而調控其極化轉換。由此得到的微結構在宏觀上產生了很強的機械回復力來恢復電場引起的疇壁位移，在局部產生了很高的釘扎力。這導致鈦酸鋇在中間電場下的介電和機電響應大幅增加，電場相關介電常數ε33≈5800，大信號壓電系數d33*≈1890皮米/伏特。這種基于位錯的各向異性提供了一套不同的工具來定制功???材料。相關研究成果以“Control of polarization in bulk ferroelectrics by mechanical dislocation imprint”發表于Science上。

圖2. 機械位錯壓印引起的鐵電疇結構變化

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DOI: 10.1126/science.abe3810

3、ACS Appl. Mater. Interfaces：一種提高Sr0.7Bi0.2TiO3基無鉛弛豫鐵電陶瓷儲能性能的策略——異價摻雜工程

Sr0.7Bi0.2TiO3（SBT）是一種很有前途的脈沖儲能材料，但其低的最大極化（Pmax）不利于儲能應用。

近期，電子科技大學的研究人員通過在SBT的A位引入K+-Bi3+缺陷對，得到了Pmax更大的Sr0.35Bi0.35K0.25TiO3（SBKT）。結合第一性原理計算，發現缺陷對的引入破壞了順電有序相，增加了局域極化，導致更多更大的極性納米區（Polar nanoregion，PNR）的形成。在此基礎上，在SBKT的A位和B位摻雜NaNbO3（NN）增加了陽離子無序和鐵電失穩，進一步破壞了長程有序結構，形成了更多更小尺寸的PNR。這增強了弛豫并降低了剩余極化，寬化的介電峰使0.85SBKT-0.15NN符合X7R規范。此外，晶粒尺寸減小、氧空位減少、熱導率增加和局域電場減弱（COMSOL模擬）也提高了介電擊穿強度。結果表明，0.95SBKT-0.05NN具有2.45 J/cm3的高儲能密度（W）、93.1%的高效率、2.1 J/cm3的高脈沖放電能量密度和54.1 MW/cm3的高功率密度。儲能性能表現出良好的溫度穩定性(?55至150℃）、頻率穩定性（10-500 Hz）和循環穩定性（105次循環）。O2中燒結的0.95SBKT-0.05NN的擊穿強度和Pmax進一步提高。在250 kV/cm時，獲得了2.92 J/cm3的高W值，效率高達89%。因此，0.95SBKT-0.05NN在脈沖儲能方面具有很大的應用潛力。相關研究工作以“Aliovalent Doping Engineering for A- and B-Sites with Multiple Regulatory Mechanisms: A Strategy to Improve Energy Storage Properties of Sr0.7Bi0.2TiO3-Based Lead-Free Relaxor Ferroelectric Ceramics”發表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

圖3. 改善SBT儲能性能的策略示意圖

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c04274

4、J. Eur. Ceram. Soc.：面向ULTCC應用的新型低損耗Li1-2xMxVO3（M=Mg, Zn）（x=0-0.09）微波介質陶瓷

低溫共燒陶瓷（Low-temperature co-fired ceramcis，LTCC）技術被公認為是下一代通信系統實現模塊小型化和電路集成小型化的有效方法。近年來，隨著超低溫共燒陶瓷（Ultra-low temperature co-fired ceramics，ULTCC）材料的發展，更低成本的鋁可以被用作電極材料，從而有望代替銀。

最近，中國臺灣國立成功大學的研究人員報道了一種適合于ULTCC應用的Li1-2xMxVO3（M=Mg, Zn）（x=0-0.09）微波介質陶瓷。研究表明，用微量的Mg或Zn代替Li，可以極大地提高純LiVO3的微波介電性能。520℃下燒結的Li0.98Mg0.01VO3樣品表現出優異性能，介電常數εr為9.78，Q×f值為45600 GHz，τf值為–45 ppm/℃，而Li0.98Zn0.01VO3樣品的εr為9.25，Q×f值為33100 GHz，τf值為–53.6 ppm/℃。加入2 mol%TiO2時，樣品在520℃燒結后，εr為9.2，Q×f值為30000 GHz，τf值為–2.8 ppm/℃，這使其成為一種非常有前途的ULTCC介質材料，適用于高頻5G應用。相關研究工作以“Low-loss microwave dielectric of novel Li1-2xMxVO3 (M = Mg, Zn) (x = 0-0.09) ceramics for ULTCC applications”發表于J. Eur. Ceram. Soc.上。

圖4. Li0.98Mg0.01VO3-xTiO2陶瓷的微波介電性能

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https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.05.033

2 熱管理材料

1、Adv. Sci.：具有金屬級熱導率和可調熱通路的全有機聚合物

電絕緣聚合物是電子和能源應用中不可缺少的材料，但其導熱性差已成為高性能器件的瓶頸。高拉伸低維聚合物纖維和薄膜可以表現出金屬級導熱性，但由于其額外的界面熱傳導屏障，將其擴展到實際應用所需的大塊材料面臨挑戰。

最近，四川大學的研究人員采用高度取向的超高分子量聚乙烯微纖維與有機硅基體結合，得到具有連續垂直聲子路徑的全有機聚合物復合材料，獲得了38.27 W m-1 K-1的垂直導熱系數，與金屬不相上下，比其他塊體有機聚合物高出兩個數量級。這種材料為高性能設備的有效熱管理提供了機會。相關研究工作以“Fully Organic Bulk Polymer with Metallic Thermal Conductivity and Tunable Thermal Pathways”發表于Adv. Sci.上。

圖5. 具有金屬級熱導率和可調熱通路的全有機聚合物及其在熱管理中的應用

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https://doi.org/10.1002/advs.202004821

2、ACS Appl. Mater. Interfaces：用于CPU冷卻的具有雙層結構的高導熱石墨烯基熱界面材料

晶體管向小型化和集成化方向的創新使得中央處理器（Central Processing Units，CPU）的熱量積累成為亟待解決的問題。熱界面材料（Thermal Interface Materials, TIMs）是移除熱量和保證器件可靠性的關鍵。

最近，四川大學的研究人員利用麥芽糖輔助機械化學剝離的方法制備了可作為TIMs結構基元的麥芽糖-g-石墨烯。采用兩步真空過濾法，制備了具有雙層結構的麥芽糖-g-石墨烯/明膠復合薄膜，構建了由定向排列、緊密堆積的麥芽糖-g-石墨烯組成的有效導熱通道。這種雙層復合薄膜表現出顯著的面內熱導率（30.8 W m-1 K-1）和很強的各向異性比（~8325%），其對CPU的冷卻效果明顯優于商用熱墊材料。此外，這種熱界面材料在抗瞬時和長期熱沖擊以及疲勞穩定性方面表現出優異的導熱穩定性。相關研究成果以“Highly Thermally Conductive Graphene-Based Thermal Interface Materials with a Bilayer Structure for Central Processing Unit Cooling”發表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

圖6. 用于CPU冷卻的具有雙層結構的高導熱石墨烯基熱界面材料

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c01223

3、Phys. Rev. B：表面聲子限制薄膜的熱傳導

了解薄膜中的微觀熱傳導對先進電子器件的微納傳熱和熱管理具有重要意義。由于薄膜的厚度相當于或小于一個聲子波長，聲子的色散關系和輸運性質受到顯著調制，這在薄膜的熱傳導中必須加以考慮。雖然已經考慮了聲子限制和耗盡效應，但是應該強調的是，由于大的表面-體積比，表面局域聲子（表面聲子）對熱傳導的影響是不可忽略的。然而，表面聲子在熱傳導中的作用迄今為止很少受到關注。

近期，日本東京大學的研究人員及其合作者利用非諧晶格動力學方法從表面聲子角度研究了亞10 nm厚度硅薄膜的面內熱導率隨厚度和溫度的變化規律。通過對表面聲子影響的系統分析，發現薄膜中局域化的表面聲子和內部聲子之間的非諧耦合顯著抑制了薄膜的整體面內熱傳導。此外，特定的低頻表面聲子對表面-內部聲子散射和熱傳導抑制有顯著貢獻。這一發現有助于電子和聲子器件的熱管理，并可能開啟用于熱導率控制的表面聲子工程。相關研究成果以“Surface phonons limit heat conduction in thin films”發表于凝聚態物理權威期刊Phys. Rev. B上。

圖7. （a）薄膜示意圖；（b-d）每個表面方向的晶胞。

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DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.195418

3 電磁屏蔽材料

1、Comp. Part A：多層熱塑性聚氨酯膜與銀納米線復合的多功能電磁干擾屏蔽膜

在可穿戴電子器件和產品中，將多功能性集成到電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）屏蔽膜中引起了人們的興趣，因為這可以極大拓展其在可穿戴電子產品中的應用領域。

最近，鄭州大學的研究人員采用真空輔助過濾技術制備了一種多層復合薄膜，該薄膜由熱塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane，TPU）納米纖維膜和銀納米線（silver nanowire，AgNW）交替組成。連續的AgNW導電層和三明治結構通過多次反射和共振效應提高了電子傳輸效率和電磁波耗散，屏蔽效能高達97.3 dB。此外，AgNWs的表面等離子體共振賦予了多層膜優異的光熱性能，使其表面溫度在300 mW/cm2太陽照射下100 s內迅速升高到78.0℃。采用結構化的聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）薄膜與其壓制成多層膜，表現出良好的摩擦電產生能力，其輸出電壓和電流分別為225 V和21.3 μA。這項工作為設計用于可穿戴電子設備電磁屏蔽的多功能薄膜提供了一個有希望的解決方案。相關研究工作以“Multifunctional Electromagnetic Interference Shielding Films Comprised of Multilayered Thermoplastic Polyurethane Membrane and Silver Nanowire”發表于Comp. Part A上。

圖8. 電磁屏蔽機理示意圖

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https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106472

2、Mater. Design：用于極端條件電磁干擾屏蔽的多級碳納米管蜂窩結構裁剪

極端條件下的電磁干擾屏蔽對穩定和彈性材料存在很大需求。

最近，中國科學院蘇州納米所的研究人員提出了一種簡單的方法，可以調整和加強碳納米管泡沫的孔結構，以獲得在嚴重的機械變形和極高的溫度下保持優異效果的EMI吸收材料。通過二次化學氣相沉積工藝，在大范圍內定制了碳納米管泡沫從宏觀到微觀的多級孔結構和性能。優化后的碳納米管泡沫在X波段的屏蔽效能SE為84 dB，比屏蔽效能SSE/t為5.6×104 dB·cm2·g-1。此外，具有出色的穩定性和機械彈性，1000次壓縮循環后仍能保持83.8%的SE值，在1000℃熱破壞過程（氬氣氣氛）中保溫30 min后仍能保持76.5%的SE值。這些研究結果對碳納米管基電磁屏蔽材料的孔工程設計具有重要的啟示，對惡劣環境下電磁屏蔽材料的設計具有指導意義。相關研究工作以“Tailoring hierarchical carbon nanotube cellular structure for electromagnetic interference shielding in extreme conditions”為題發表于Mater. Design上。

圖9. 用于極端條件的具有多級碳納米管蜂窩結構的電磁干擾屏蔽材料

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https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109783

4 熱電材料

1、Nature Communications：熵工程提高p型硫屬化合物的熱電性能

熱電技術因可以從廢熱中產生電能而引起關注。然而，其高成本、低轉換效率限制了其應用。近年來，熵工程作為一種新的策略在優化熱電材料的電輸運和熱輸運方面得到了廣泛應用。

最近，南方科技大學的研究人員證實基于高熵穩定基體的能帶收斂和多級結構可以有效改善p型硫屬化合物的熱電性能。能帶收斂是由于Cd合金化降低了輕、重能帶的能量偏移，提高了Seebeck系數和電輸運性能。此外，熵工程控制的多級結構引入了熱傳導聲子的全尺度散射源，使得晶格熱導率非常低。因此，p型硫屬化合物的最大zT值在900 K時達到2.0，所制造的分立模塊在ΔT?=?506下的實驗轉換效率高達12%。這項工作提出了一種熵策略，采用高熵穩定基體形成全尺度多級結構，將促進低成本熱電材料的實際應用。相關研究成果以“Entropy engineering promotes thermoelectric performance in p-type chalcogenides”發表于Nature Communications上。

圖10. 利用熵工程在全尺度多級結構上提升熱電性能

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https://www.nature.com/articles/s41467-021-23569-z

2、Adv. Funct. Mater.：具有理想熱電性能的高熵半導體AgMnGeSbTe4

近年來，高熵材料由于其高度的晶體對稱性和嚴重的晶格畸變在熱電領域引起了人們的廣泛關注。

最近，華中科技大學的研究人員報道了一種禁帶寬度為≈0.28 eV的新型p型高熵半導體

AgMnGeSbTe4。AgMnGeSbTe4在巖鹽NaCl結構中結晶，陽離子Ag、Mn、Ge和Sb在Na位上隨機無序占位。由于Ag、Mn、Ge和Sb原子半徑的巨大差異，產生了強烈的晶格畸變，導致0.54 W m-1 K-1的低晶格熱導率（600 K）。此外，AgMnGeSbTe4還表現出簡并半導體特性，在400-773 K的溫度范圍內平均功率因數高達10.36 μW cm-1 K-2。因此，AgMnGeSbTe4在773 K時的最大熱電優值（ZT）為1.05，在400-773 K的溫度范圍內具有理想的平均ZT值（0.84）。AgMnGeSbTe4的熱電性能可以通過析出Ag8GeTe6得到進一步提高，Ag8GeTe6充當低能空穴和中波長聲子的額外散射中心。對AgMnGeSbTe4-1mol%Ag8GeTe6，在773 K達到最大熱電優值ZT=1.27，400-773 K溫度范圍內的平均ZT值為0.92。相關工作以“High Entropy Semiconductor AgMnGeSbTe4 with Desirable Thermoelectric Performance”發表于Adv. Funct. Mater.上。

圖11. 聲子散射示意圖：（a）納米尺度；（b）原子尺度。

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https://doi.org/10.1002/adfm.202103197

3、Adv. Funct. Mater.：通過應力誘導的蓮蓬狀晶界在環境友好SnTe中實現超高熱電性能

熱電技術因其可將熱轉換為電、壽命長、無需維護等優點，長期以來一直被認為是深空探測車輛動力的首選。對高ZT值不懈的追求催生了一系列與能帶工程和晶體缺陷工程相關的技術，以優化熱電材料的電學和熱學輸運性能。

近日，哈爾濱工業大學的研究人員構建了由“蓮蓬狀”晶界、致密位錯和納米孔組成的多級結構，協同降低了聲速和聲子弛豫時間，在很寬的溫度范圍內產生超低的晶格熱導率，以提高環保型SnTe的熱電性能。這種材料在300-873 K的溫度范圍內獲得了超高的熱電優值ZT≈1.7和前所未有的平均ZT值（≈1）。與常用的揮發成孔方法相比，該研究所采用的應力誘導再結晶和氣體膨脹產生界面孔隙的方法被認為更適用于許多其它材料，為提高熱電性能開辟了一條新的途徑。該研究工作以“Ultrahigh Thermoelectric Performance in Environmentally Friendly SnTe Achieved through Stress-Induced Lotus-Seedpod-Like Grain Boundaries”發表于Adv. Funct. Mater.上。

圖12.（a）熱電優值zT隨溫度的變化；（b）平均熱電優值跟文獻的對比

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https://doi.org/10.1002/adfm.202101554

4、Small：通過多級缺陷提高Ge0.955-xSbxTe/FeGe2復合材料的熱電性能

通過多級結構對載流子和聲子的散射進行控制已被證明是提高熱電性能的有效方法，而以往對GeTe基材料的研究主要集中在同時優化載流子濃度和能帶結構上。

最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所的研究人員提出了一種協同策略，結合Ge空位和其他缺陷的散射效應來調控GeTe的熱輸運和電輸運特性。在GeTe基化合物中加入Fe可引入FeGe2第二相，同時增加Ge空位的濃度，產生更多的Ge平面缺陷。這些多級缺陷導致了較大的散射因子，使得Seebeck系數和功率因數顯著提高。同時，得益于多尺度多級結構對聲子散射的增強，獲得了極低的晶格熱導率。Ge0.875Sb0.08Te/1.5%FeGe2樣品在750 K時的最大熱電優值zT為2.1，在400-800 K溫度范圍內的平均zT值為1.5。這項工作表明操縱多級缺陷是一種優化熱電性能的有效策略。該研究以“Enhanced Thermoelectric Performance in Ge0.955?xSbxTe/FeGe2 Composites Enabled by Hierarchical Defects”發表于Small上。

圖13. （a）熱電優值zT隨溫度的變化；（b）平均熱電優值跟文獻的對比

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https://doi.org/10.1002/smll.202100915

5 半導體制造

1、Nature：半金屬與單層半導體的超低接觸電阻

先進的超硅電子技術對溝道材料和超低電阻接觸提出了要求。原子級薄的二維半導體在實現高性能電子器件方面有很大的潛力。然而，由于金屬誘導間隙態（Metal-induced Gap States，MIGS），金屬-半導體界面處的能量勢壘會導致高接觸電阻和低電流傳輸能力，這限制了二維半導體晶體管的改進。

最近，MIT和臺積電（TSMC）的研究人員報道了半金屬鉍和半導電單層過渡金屬二硫化物（transition metal dichalcogenides，TMD）之間的歐姆接觸，其中MIGS被充分抑制，TMD中的簡并態在與鉍接觸時自發形成。通過這種方法，研究人員在單層MoS2上實現了零肖特基勢壘高度、123 ohm μm的接觸電阻和1135 μA/μm的通態電流密度，這兩個值分別是有記錄以來的最低值和最高值。研究人員還證明在各種單層半導體中，包括MoS2，WS2和WSe2上均可形成良好的歐姆接觸。該研究報道的接觸電阻是二維半導體的一個重大改進，接近量子極限。這項技術揭示了高性能單層晶體管的潛力，這種晶體管與最先進的三維半導體不相上下，可以進一步縮小器件尺寸，擴展摩爾定律。相關研究工作以“Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors”發表于Nature上。

圖14. 半金屬-半導體接觸點處的間隙態飽和

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https://www.nature.com/articles/s41586-021-03472-9

文字 | 科研與產業部戰略研究辦

編輯 | 綜合管理部文宣辦