1 電介質材料

1、Adv. Energy Mater.：多重協同設計獲得具有優異儲能性能的NaNbO3-(Bi0.5Li0.5)TiO3無鉛弛豫鐵電電容器

弛豫鐵電陶瓷電容器以其優異的儲能性能受到廣泛關注。然而，實現工業應用所需的理想綜合儲能特性是極其困難的。

最近，合肥工業大學、安徽工程大學、中國科學院上海硅酸鹽研究所和南昌大學的研究人員報道了一種0.68NaNbO3-0.32(Bi0.5Li0.5)TiO3弛豫鐵電陶瓷，具有超高可恢復能量密度（Wrec≈8.73 J cm-3）、高效率（η≈80.1%）、超快放電（<85 ns）和溫度不敏感的高儲能性能（Wrec≈5.73±4% J cm-3，η≈75±6%，25-200℃）。這種陶瓷通過引入不同的極化構型，獲得了不同的顯微結構。研究人員利用透射電子顯微鏡和拉曼光譜，從多尺度分析了材料在電場加載/卸載過程中的原位結構演化，揭示了材料具有優異儲能性能的結構機理。由于顯著的延遲極化飽和，由不同尺度的極性納米疇和非極性基體組成的局部區域以及隨電場保留的局域正交對稱性保證了在較寬的電場和溫度范圍內的類線性極化響應。研究人員還利用X射線衍射、介電性能和選區電子衍射等方法研究了添加(Bi0.5Li0.5)TiO3后NaNbO3中正交鐵電相（而非反鐵電相）的穩定性。這一工作為NaNbO3基弛豫鐵電陶瓷在下一代脈沖功率電容器的應用提供了新的思路。相關研究工作以“NaNbO3-(Bi0.5Li0.5)TiO3 Lead-Free Relaxor Ferroelectric Capacitors with Superior Energy-Storage Performances via Multiple Synergistic Design”發表于Adv. Energy Mater.上。

圖1. 儲能性能及與各種代表性無鉛陶瓷儲能性能的對比

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https://doi.org/10.1002/aenm.202101378

2、Adv. Funct. Mater.：一種制備具有超高電容性能的可擴展層狀高溫聚合物電介質的簡易原位表面功能化方法

現代功率電子及電氣系統對用于電容儲能的高溫電介質材料提出了迫切需求。然而，由于高溫下不可避免的電導損耗大幅削弱了儲能性能，使得電介電聚合物在高溫下的應用受到嚴重限制。

最近，西安交通大學、南方科技大學和美國賓夕法尼亞州立大學的研究者提出了一種新的方法，可在聚酰亞胺（Polyimide，PI）薄膜上原位制備氧化物以形成高溫層狀聚合物電介質材料。模擬計算表明，通過原位制備氧化層，可顯著抑制電介質薄膜在電極/電介質界面處的電荷注入和導電性，從而在200℃高溫下同時實現超高的介電能量密度（1.59 J cm-3）和高效率（>90%），優于目前已知的介電聚合物和復合材料。這種層狀薄膜結構具有良好的放電性能和循環可靠性，是一類很有前途的適用于在高溫下工作的大功率儲能電容器的聚合物電介質材料，所報道的簡便制備方法也可擴展至多種用于極端環境下儲能應用的聚合物薄膜的制備。該研究工作以“A Facile In Situ Surface-Functionalization Approach to Scalable Laminated High-Temperature Polymer Dielectrics with Ultrahigh Capacitive Performance”發表于Adv. Funct. Mater.上。

圖2. （a）200℃下漏電流密度隨外加電場的變化；（b-d）有限元方法模擬的200℃和200 MV m-1下的穩態凈空間電荷分布；（e）200℃下的擊穿場強和形狀參數β；（f）200℃和375 MV m-1下的電位分布和電樹枝。

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https://doi.org/10.1002/adfm.202102644

3、Adv. Energy Mater.：采用無機核殼納米填料的高溫高能量密度介電聚合物納米復合材料

先進的電子電力系統對高溫高能量密度聚合物電介質材料提出了迫切需求。

近日，重慶大學、美國賓夕法尼亞州立大學和西安交通大學的研究人員開發了一種填充了核殼結構納米顆粒（由ZrO2核和Al2O3殼組成）的聚醚酰亞胺（Polyetherimide，PEI）復合材料。從ZrO2核和Al2O3殼層到PEI基體建立的介電常數梯度使得納米顆粒周圍的電場畸變大幅減小，從而在不同溫度下獲得高擊穿強度。寬帶隙Al2O3殼層在復合材料中形成深陷阱，使其高溫下的漏電流密度比純ZrO2降低一個數量級。相應地，復合材料的放電能量密度達到5.19 J cm-3，優于目前高溫電介質聚合物和聚合物復合薄膜材料在10 Hz的性能。此外，隨著溫度從25℃升高到150℃，核殼結構復合材料表現出良好的熱穩定性、充放電效率和能量密度。研究人員還通過有限元模擬和數值計算，揭示了核殼結構對復合材料電場分布和電導的影響。這一研究工作以“High-Temperature High-Energy-Density Dielectric Polymer Nanocomposites Utilizing Inorganic Core-Shell Nanostructured Nanofillers”發表于Adv. Energy Mater.上。

圖3. 漏電流密度、綜合性能比較及空間電荷分布的模擬結果

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https://doi.org/10.1002/aenm.202101297

4、J. Mater. Chem. A：通過空間三明治結構設計策略實現無鉛陶瓷優異的儲能性能和穩定性

無鉛陶瓷具有高功率密度、優異的耐高溫性和無毒性，在可持續發展的背景下，在儲能應用中發揮著重要作用。然而，由于其極化與擊穿強度的矛盾關系，導致無鉛陶瓷的能量密度小、能量轉換效率低，嚴重制約了電子元器件向小型化、輕量化發展。

為了克服這一挑戰，近期同濟大學的研究人員提出一種優化無鉛陶瓷儲能性能的策略，與傳統的氧化物摻雜方法不同，采用新的燒結工藝，對成分進行優化，利用流延技術制備得到了具有空間三明治結構的樣品。結果顯示，通過這種設計策略，可以很好地解決極化與擊穿強度的倒置關系，實現高達6.3 J cm-3的可恢復儲能密度、93.61%的高能量轉換效率，以及540 kV cm-1的高外加電場，此外還實現了215 MW cm-3的超高功率密度和140 ns的快速放電時間。在105次疲勞循環后，能量轉換效率依然大于90%，可恢復儲能密度變化在±2%以內。同時，在30℃至160℃的溫度范圍內，其儲能密度的變化也小于±6.5%。該研究有助于促進高能量存儲應用的環保陶瓷的發展。相關研究成果以“Excellent energy storage properties and superior stability achieved in lead-free ceramics via spatial sandwich structure design strategy”發表于J. Mater. Chem. A上。

圖4. 儲能性能及與文獻的對比

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https://doi.org/10.1039/D1TA02853G

2 熱管理材料

1、Nature Electronics：砷化硼冷卻基板與氮化鎵器件的集成

熱管理是現代電子系統的關鍵。為了改善散熱性能，人們開始探索新型的高導熱半導體材料，包括砷化硼（boron arsenide，BAs）和磷化硼（boron phosphide，BP）。然而，將這些材料集成到器件中以及測量它們的界面能量傳輸仍然沒有被探索。

近期，UCLA的研究人員展示了BAs和BP冷卻基板與金屬、寬帶隙半導體GaN和高電子遷移率晶體管器件的異質集成。這種GaN-on-BAs結構的邊界熱導高達250 MW m-2K-1，對器件級熱點溫度的比較表明，BAs的功率冷卻性能優于金剛石器件。此外，使用BAs冷卻基板的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管表現出比金剛石和碳化硅在相同晶體管功率密度下低得多的熱點溫度，展現了其在射頻電子設備中優異的熱管理應用潛力。研究人員認為BAs和BP的高熱管理性能與它們獨特的聲子帶結構和界面匹配有關。該研究成果以“Integration of boron arsenide cooling substrates into gallium nitride devices”發表于Nature Electronics上。

圖5. BAs和GaN用于高性能熱管理的器件集成

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https://www.nature.com/articles/s41928-021-00595-9

3 熱電材料

1、J. Am. Chem. Soc.: 通過抑制Sn空位獲得性能優異的N型SnTe熱電材料

由于體系內部存在大量的本征Sn空位，開發n型SnTe熱電材料是一個巨大的挑戰。

最近，北京航空航天大學的研究人員通過抑制Sn空位，再進行電子摻雜，成功合成了性能優異的n型SnTe熱電材料。研究表明，通過Pb合金化可以顯著抑制SnTe中的Sn空位，并通過I摻雜引入電子使其電子輸運由p型轉變為n型。在n型SnTe中，Pb合金化后的導帶銳化，載流子遷移率增加，使得電導率增大，而Pb合金化和I摻雜引入缺陷后，通過強聲子散射可以降低晶格熱導率。由于這些增強效應，n型Sn0.6Pb0.4Te0.98I0.02在573 K達到顯著的高熱電優值ZTmax~0.8，在300?823 K的溫度范圍內達到~0.51的平均熱電優值ZTave，與許多優異的p型SnTe材料相當。該研究證實，n型SnTe可以通過實驗獲得，并且是一種適于熱電發電應用的很有前途的候選材料，這將推動n型SnTe熱電材料及相關器件的進一步研究。相關研究成果以“Realizing N-type SnTe Thermoelectrics with Competitive Performance through Suppressing Sn Vacancies”發表于頂級期刊J. Am. Chem. Soc.上。

圖6. n型SnTe的熱電性能

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https://doi.org/10.1021/jacs.1c02346

2、Mater. Today Phys.：具有本征Nb和Sb空位的名義19電子半赫斯勒化合物NbCoSb的熱電性能增強

自2015年具有名義19價電子組成的半赫斯勒（half-Heusler）合金NbCoSb被首次報道以來，因其重摻雜n型半導體表現出中等熱電性能，人們就一直在研究其純相材料的制備。

近期，西華大學和美國休斯敦大學的研究人員首次研究了Nb和Sb缺陷對NbCoSb相組成和熱電性能的影響。結果表明，當材料組成中Nb、Sb含量稍微不足時，可以獲得純相材料，本征空位缺陷對材料的熱電性能有顯著影響。在973 K時，Nb0.97CoSb0.99的熱電優值ZT增加了一倍，最大ZT值為0.8，這得益于雜質相的消除和載流子濃度的優化。該工作證明了引入空位缺陷是改善某些半赫斯勒合金，特別是名義19電子半赫斯勒化合物熱電性能的有效方法。該研究以“Enhanced Thermoelectric Performance of Nominal 19-electron Half-Heusler Compound NbCoSb with Intrinsic Nb and Sb Vacancies”發表于Mater. Today Phys.上。

圖7. （a）熱電優值zT隨溫度的變化；（b）與不同NbCoSb基熱電材料zT值的比較

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https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100450

3、Mater. Horiz.：用于熱電材料快速篩選的電子輸運描述符

通過數據驅動篩選和高通量計算相結合，可以加速發現用于熱電能轉換的新型材料。提高成功篩出候選材料的效力的一種方法是使用輸運描述符對其進行評估。熱電材料的能帶結構（如能帶簡并度、更低的有效質量）等一般性原則已被大家熟知，然而，難以計算的載流子弛豫時間等常常被忽略，這主要是因為缺乏對散射時間精確而快速的計算。

最近，新加坡科技研究局（Agency for Science, Technology and Research，A*STAR）的研究人員及其合作者通過數據驅動篩選，選擇了三方晶系ABX2家族中的12個潛在候選材料，然后根據第一性原理進行了電荷輸運性質模擬。研究表明，這些材料中的載流子散射過程主要由離子化雜質和極性光學聲子所控制，與通常假設的聲子主導散射相反。利用這些數據，研究人員進一步導出了載流子遷移率和熱電功率因數的基態輸運描述符。除了低載流子質量，高介電常數被發現是高載流子遷移率的重要因素，由此建立了介電常數與輸運性能之間的二次關系，并用文獻進行了進一步驗證，結果顯示介電常數有可能作為提高熱電性能的獨立判據。結合對熱導率的計算，研究人員還指出三方晶系ABX2家族在中溫范圍內具有被用作高性能熱電材料的潛力。這項研究成果以“Electronic transport descriptors for the rapid screening of thermoelectric materials”為題發表于Mater. Horiz.上。

圖8. ABX2材料的輸運描述符

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https://doi.org/10.1039/D1MH00751C

4 半導體制造材料

1、Sci. Adv.：面向全光刻有機電子學的納米互穿半導體光刻膠

全光刻技術具有高分辨率、高可靠性和工業兼容性等優點，是一種很有前途的有機電子工業制造技術。然而，由于缺乏具有高圖形分辨率、遷移率和在光刻溶液工藝中保持性能穩定的半導電性光刻膠，它的應用受到限制。

近期，復旦大學的研究人員及其合作者開發了一種具有納米互穿結構的半導體光刻膠。光刻后，納米結構交聯網絡與半導體聚合物的連續相相互滲透，可實現亞微米圖形精度和具有高熱力學穩定性的緊密分子堆積。在顯影劑和剝離劑中浸泡1000 min后，遷移率達到光交聯有機半導體的最高值，并幾乎保持在100%左右。這種光刻膠優異的綜合性能使得全光刻技術成為可能。基于該技術，研究人員制作了密度高達1.1×105 units cm-2的有機逆變器和高密度晶體管陣列，比傳統印刷工藝大1-4個數量級。這一技術為制造高度集成的有機電路和系統開辟了一條新途徑。相關研究工作以“A comprehensive nano-interpenetrating semiconducting photoresist toward all-photolithography organic electronics”發表于Sci. Adv.上。

圖9. 半導體光刻膠SP-1的光刻

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DOI: 10.1126/sciadv.abg0659

文字 | 科研與產業部戰略研究辦

編輯 | 綜合管理部文宣辦