1 電介質材料
1、Chem. Eng. J.：由單元素摻雜鈦酸鋇構成的核殼納米纖維用于高能量密度聚合物納米復合材料
核殼納米填料用于介電納米復合材料有望同時獲得高相對介電常數（εr）和擊穿強度（Eb）等特性。然而，傳統的核殼納米填料有兩個主要缺點：（1）低εr殼層極大地限制了整個納米填料的εr；（2）燒結性能的差異和核殼材料之間的晶格常數差異會誘導額外的缺陷，從而導致材料過早擊穿。因此，在低填充量下，顯著提高放電能量密度Ud是很困難的。
近日，大連理工大學的研究人員提出使用單元素摻雜鈦酸鋇構成的核殼型納米纖維作為填料，以同時實現相對較高的εr和Eb，來獲得高Ud的納米復合材料。結果表明，含有2 wt%聚多巴胺修飾的BZT15@BZT35納米纖維的單層納米復合薄膜BZT15@BZT35@PDA_nfs表現出比原始聚偏氟乙烯（PVDF）增強64%的Ud值。使用2 wt%納米纖維作為中間層的三明治納米復合薄膜（PVDF/BZT15@BZT35@PDA_nf/PVDF/PVDF）則達到了約100%的增強。這種納米填料設計策略可以通過同軸靜電紡絲很容易地實現，并且可基于三軸靜電紡絲和其他多噴嘴靜電紡絲方法進一步發展。該研究為開發低填充量的高能量密度聚合物納米復合材料提供了新的思路。相關研究工作以“Novel designed core-shell nanofibers constituted by single element-doped BaTiO3 for high-energy-density polymer nanocomposites”為題發表于Chem.Eng. J.上。
圖1. 由單元素摻雜鈦酸鋇構成的核殼納米纖維用于高能量密度聚合物納米復合材料
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131046
2 熱管理材料
1、Adv. Funct. Mater.：基于垂直排列、共價鍵合石墨烯納米壁的柔軟自粘熱界面材料用于高效微電子冷卻
隨著集成電路和電子設備的功率和封裝密度不斷增加，將多余的熱量有效地從熱點通過熱界面材料（Thermal Interface Materials，TIMs）耗散至熱沉以保持系統的可靠性和性能，已成為一個日益增長的需求。近年來，石墨烯基TIMs因其超高的固有熱導率而受到廣泛關注。然而，受限于某些技術難點，這種TIMs的冷卻效率仍然很低，如生產引起的石墨烯缺陷、石墨烯在基體中排列不良，以及石墨烯/石墨烯或石墨烯/基體界面的強聲子散射。
最近，中國科學院寧波材料技術與工程研究所的研究人員及其合作者報道了一種120 μm厚的薄膜，使用中間等離子體化學氣相沉積制備得到，由垂直排列的、共價鍵合的石墨烯納米壁（Graphene nanowalls, GNWs）組成。在用硅酮填充GNWs后，所制備的粘性TIMs在5.6 wt%的低石墨烯含量下表現出20.4 W m-1 K-1的高跨平面熱導率。在TIM性能測試中，其冷卻效率是最先進的商業TIMs的1.5倍。這種TIMs實現了高熱導率和低厚度之間的理想平衡，通過提供優越的冷卻性能，可用于大功率發光二極管芯片以抑制發光性能退化。這項研究工作以“Soft and Self-Adhesive Thermal Interface Materials Based on Vertically Aligned, Covalently Bonded Graphene Nanowalls for Efficient Microelectronic Cooling”為題發表于Adv. Funct. Mater.上。
圖2. （a）與不同類型石墨烯結構的熱導率增強對比；（b）通過范德華相互作用和共價鍵連接的相鄰石墨烯的界面熱阻計算值；（3）熱傳導的模擬結果。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202104062
2、ACS Appl. Mater. Interfaces：碳納米管陣列熱界面材料在熱老化下的退化：鍵合、陣列高度和催化氧化的影響
碳納米管（Carbon nanotube，CNT）陣列熱界面材料（TIMs）是一種很有前途的高性能材料。然而，為了進行商業應用，界面的可靠性是一個同樣重要的參數，到目前為止還沒有得到徹底的研究。
近期，瑞典查爾姆斯理工大學的研究人員通過加速老化研究了碳納米管陣列TIMs的可靠性，并揭示了碳納米管陣列高度和基板結構對熱阻退化的影響。老化后，用X射線光電子能譜分析CNT催化劑的化學變化，發現CNT-催化劑鍵合在老化過程中似乎會退化，但還沒達到會影響TIM性能的程度。另一方面，表面熱膨脹系數不匹配會產生需要吸收的應變，這就要求碳納米管陣列具有足夠的高度。碳納米管根部和尖端的轉移和鍵合也創造了更可靠的界面。最關鍵的是，大多數先前報道的碳納米管陣列TIMs的陣列高度不足以防止重大的可靠性問題。該研究以“Degradation of Carbon Nanotube Array Thermal Interface Materials through Thermal Aging: Effects of Bonding, Array Height, and Catalyst Oxidation”發表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。
圖3. 碳納米管陣列熱界面材料的可靠性研究
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https://doi.org/10.1021/acsami.1c05685
3 電磁屏蔽材料
1、Adv. Electron. Mater.：高效電磁干擾屏蔽用柔性導電纖維素復合紙
便攜式設備硬件和柔性電子器件對開發具有優異力學性能的高效電磁干擾屏蔽材料提出了迫切需求。
近期，西安理工大學的研究人員及其合作者開發了一種具有特殊三層結構的高導電柔性銀納米線/石墨烯納米片/纖維素（AgNWs/GNSs/纖維素）復合紙。這種通過真空輔助過濾和涂層方法制備的復合紙因具有獨特的層狀結構而表現出優異的電磁屏蔽性能。通過改變導電層的順序，整體屏蔽性能可進一步提高。在厚度為0.17 mm時，屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）為53.3 dB。該復合材料還表現出顯著的抗彎性能，即經1000次反復彎曲試驗后，無明顯結構變化。此外，所制備的復合材料還具有良好的力學性能。這項工作指出了一條開發優異電磁屏蔽材料的簡易策略。相關研究工作以“Flexible and Conductive Cellulose Composite Paper for Highly Efficient Electromagnetic Interference Shielding”發表于Adv. Electron. Mater.上。
圖4. 復合紙在X波段的電磁屏蔽性能
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https://doi.org/10.1002/aelm.202100496
2、Mater. Today Phys.：從金屬有機框架獲得納米復合材料用于電磁波吸收
由金屬和配體組成的金屬有機框架（Metal-organic frameworks，MOFs）在微波吸收領域有著廣闊的應用前景。MOF衍生材料具有密度低、重量輕、介電和磁性能優異等特點，因而吸引越來越多的研究人員在微波吸收領域進行研究。
近日，青島大學的研究人員報道了一種鎳鈷基尖晶石NiCo2S4@C/多孔碳（Porous carbon，PC）復合材料。由于可設計的界面和添加的偶極子，微波介電響應顯著提高，從而提高了微波吸收性能。結果顯示，當匹配厚度為2.1 mm時，在15.28 GHz頻率下可獲得-59.36 dB的最小反射損耗（RLmin）。同時，有效吸收帶寬（Effective absorption band，EAB）可達6.8 GHz，表現出理想的寬帶特性，使其成為高性能吸波材料的一個有希望的候選。相關研究工作以“Tailoring nanoparticles composites derived from metal-organic framework as electromagnetic wave absorber”發表于Mater. Today Phys.上。
圖5. 基于金屬有機框架的納米復合吸波材料
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https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100475
4 熱電材料
1、Small：面向熱電半赫斯勒化合物極端聲子散射的高壓燒結誘導微結構工程
熱管理在各種現代技術中至關重要，如便攜式電子、光電和熱電設備。阻礙聲子輸運仍然是改善某些熱電材料（如半赫斯勒化合物）熱電性能最具挑戰性的任務之一。
最近，德國萊布尼茲固體和材料研究所的研究人員通過施加≈1 GPa的壓力顯著降低晶格熱導率，并燒結了一系列半赫斯勒化合物。與通常低于100 MPa的燒結壓力相比，GPa級的燒結壓力可以在較低的溫度下實現致密化，從而可大大增強聲子散射。對HfCoSb，相對密度大于95%時，在300 K下的最大晶格熱導率降低約83%（從14到2.5 W m-1K-1）。所達到的低晶格熱導率來源于顯著的晶粒細化（到100 nm以下）以及大量的晶粒內部缺陷。這項工作揭示了半赫斯勒化合物在非常規顯微結構下的聲子輸運特性，也展示了高壓致密化在提高熱電材料性能方面的潛力。研究成果以“High-Pressure-Sintering-Induced Microstructural Engineering for an Ultimate Phonon Scattering of Thermoelectric Half-Heusler Compounds”發表于Small上。
圖6. （a）聲子平均自由程；（b）晶格熱導率隨溫度的變化
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https://doi.org/10.1002/smll.202102045
2、J. Mater. Chem. A：高導電熱電材料的光增強Seebeck效應
高Seebeck系數和高電導率對可直接將熱轉化為電能的熱電材料至關重要。盡管光照能影響某些低電導率無機或有機材料的Seebeck系數，但無法提高具有高電導率的熱電材料的Seebeck系數，因而沒有實際意義。
近期，新加坡國立大學的研究人員及其合作者報道了光增強Seebeck效應對含TiO2納米粒子的PEDOT:PSS柔性高導電復合材料的影響。當PEDOT:PSS中TiO2納米粒子含量為66.9 wt%時，其被曝露在紫外光下的Seebeck系數可從23.5 μV K-1提高到94.3 μV K-1，紫外光照射PEDOT:PSS和TiO2納米顆粒的雙層結構可以將其功率因數從159 μW m-1 K-2提高到356 μW m-1 K-2。Seebeck系數的提高是由于紫外光誘導電子從TiO2的價帶激發到導帶，隨后電子又從TiO2的導帶轉移至PEDOT:PSS的導帶。這可以部分地使PEDOT:PSS去摻雜，從而提高Seebeck系數，并且PEDOT:PSS的去摻雜可以很容易地通過控制光強度來調控。這項研究以“Photo-enhanced Seebeck effect of a highly conductive thermoelectric material”發表于J. Mater. Chem. A上。
圖7.TiO2@PEDOT:PSS薄膜的熱電性能
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https://doi.org/10.1039/D1TA04366H
5 半導體制造與先進封裝材料
1、Science：高密度彈性電路的單片微光刻
聚合物電子材料使柔軟和可伸縮的電子產品變得可能。然而，與硅基器件相比，由于缺乏一種通用的彈性電路的微/納米加工方法，導致器件密度低，并行信號記錄和處理能力有限。
最近，美國斯坦福大學的研究人員提出了一種單片微光刻工藝，通過順序紫外光觸發溶性調制，可直接對一組彈性電子材料進行微圖形化。研究團隊以每平方厘米42000個晶體管的密度制造了溝道長度為2微米的晶體管，進而制作了彈性電路，包括一個異或門和半加法器，這兩者都是必不可少的算術邏輯部件。該工藝提供了一條實現復雜、高密度、多層彈性電路的晶圓級制造路徑，其性能可與剛性電路媲美。相關研究工作以“Monolithic optical microlithography of high-density elastic circuits”發表于Science上。
圖8. 用于高密度彈性電路的單片微光刻。（a）示意圖；（b）彈性晶體管器件構型；（c）單片微光刻制造的4英寸晶圓級彈性電路陣列；（d）彈性電路陣列外觀；（e）基于紫外光引發交聯的彈性電子材料光刻機理；（f）單片微光刻工藝流程。
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DOI: 10.1126/science.abh3551
2、Mater. Design：高速電沉積法制備Cu柱及其與Ajinomoto絕緣膠膜（ABF）的附著力
銅柱的制備近年來受到微電子、通信行業的廣泛關注，因為銅柱可以作為散熱器件以及不同封裝層次之間的電連接，從而為微電子封裝提供有效的空間利用。
近日，中國臺灣元智大學和臺灣大學的研究人員通過采用高速電沉積法制備了Cu柱，并研究了其與Ajinomoto絕緣膠膜（ABF）的附著力。使用SEM、EBSD、FE-TEM、歐姆計、納米壓痕儀等表征測試手段對這些銅柱在不同電流密度（j=2，5，7.5和10 A/dm2）下電鍍后的形態、結晶學、電學和力學特性進行了系統研究，并通過剪切試驗評估了銅柱在ABF基板上高溫存儲后的附著力。最后，采用有限元分析方法（COMSOL-Multiphysics）模???了高速電沉積Cu時通孔結構中的電流密度和電解質分布，表征了隨著j的不斷增大所引起的形貌、結晶學形態、力學性能轉變。這一研究促進了我們對電化學金屬沉積的理解，有助于高速銅電沉積技術的發展。相關研究以“High-speed electrodeposition for Cu pillar fabrication and Cu pillar adhesion to an Ajinomoto build-up film (ABF)”發表于Mater. Design上。
圖9. 高速電沉積法制備Cu柱及其與Ajinomoto絕緣膠膜（ABF）的附著力
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https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109830
3、ACS Omega：用本征負性光敏聚酰亞胺制備的可光圖案化高速電紡超細纖維
各種光敏聚合物纖維被用于形成柔性電路甚至生物醫學應用的陣列結構。然而，兩個主要缺陷限制了此類材料的進一步應用。首先，傳統聚合物纖維的熱穩定性差，可能導致微圖形在烘烤過程中的尺寸損失，這無疑不利于光刻。其次，由隨機排列的纖維制成的常規柔性電子器件往往具有較低的機械強度和耐久性，因此難以承受多次變形和彎曲，從而對整個器件的可靠性產生不利影響。
最近，中國地質大學和曼徹斯特大學的研究人員采用有機可溶性本征PSPI作為成纖劑，利用高速靜電紡絲法制備了一種具有取向纖維結構的聚酰亞胺（PI）超細纖維膜（Ultrafine fibrous membranes，UFMs）。研究團隊研究了不同轉速對纖維形態和性能的影響。取向UFMs具有疏水性、良好的光學性能和變形耐久性。隨著轉速的提高，UFMs的拉伸強度明顯增強，2500 rpm時達到最大值9.18 MPa。此外，由于PI樹脂的光交聯性質，UFMs具有光刻能力，可以在鋁基板上獲得微小的圖形，甚至在顯影后保留了部分纖維結構。這項工作展示了在柔性襯底上制造基于纖維的光刻多級結構的前景。相關研究工作以“Photo-Patternable, High-Speed Electrospun Ultrafine Fibers Fabricated by Intrinsically Negative Photosensitive Polyimide”發表于ACS Omega上。
圖10. 用本征負性光敏聚酰亞胺制備的可光圖案化高速電紡超細纖維
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https://doi.org/10.1021/acsomega.1c02535
4、Adv. Electron. Mater.：柔性聚酰亞胺襯底上晶體離子切片制備的鈮酸鋰單晶薄膜的電阻開關效應
隨著人工智能的發展，用于內存和神經計算的新型設備引起了極大關注。此外，柔性電子設備，如柔性傳感器、柔性晶體管，在柔性電子系統中也引起了人們的興趣。因此，可與其它柔性電子器件和柔性電路集成的柔性存儲和神經計算器件，將在未來的可穿戴電子、電子皮膚、智能機器人柔性傳感系統等柔性電子系統中發揮重要作用。
最近，電子科技大學的研究人員以苯并環丁烯（Benzocyclobutene，BCB）為鍵合層，采用晶體離子切片（Crystal-ion-slicing，CIS）技術將單晶LN薄膜轉移至聚酰亞胺（Polyimide，PI）襯底上，用低能Ar+輻照引入高濃度氧空位層，制備了柔性單晶LiNbO3（LN）薄膜，并研究了其電阻開關特性。在同一薄膜上的不同憶阻器單元中觀察到了均勻穩定的電阻開關行為，這與所制備的LN薄膜的單晶特性有關。即使將LN薄膜彎曲上千次或彎曲成不同半徑，其通斷比（on/off ratio）也基本相同。由此，基于CIS工藝和Ar+輻照，建立了柔性憶阻器用柔性單晶薄膜的制備方法。該研究證實在PI襯底上制備單晶LN薄膜是一種很有前途的柔性憶阻器結構，其電阻開關行為可用結合絲狀電導機制和肖特基發射機制的新型導電模型來解釋。相關研究成果以“Resistive Switching Effects of Crystal-Ion-Slicing Fabricated LiNbO3 Single Crystalline Thin Film on Flexible Polyimide Substrate”發表于Adv. Electron. Mater.上。
圖11. 基于鈮酸鋰薄膜的柔性憶阻器的制備工藝
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https://doi.org/10.1002/aelm.202100301
文字 | 科研管理辦
編輯 | 公共關系與宣傳辦