1 電介質材料
1、Energy Storage Materials：核殼結構納米復合材料中粒子間極化和粒子內極化的解耦——介電性能改善
導電填料填充的聚合物復合材料在滲流閾值附近具有很高的介電常數，因此顯示出巨大的潛力，但高介電損耗阻礙了其在實際中的廣泛應用。近年來，人們致力于用絕緣外殼包裹導電填料，以限制介電損耗，但這種方法也大大降低了介電常數。這一困境引發了一個問題，即核殼結構填料是否最終有利于復合材料的介電性能，這方面的相關研究較少。
最近，西安科技大學的研究人員通過研究含有一系列不同外殼厚度的Al@Al2O3納米填料，發現這種滲流型復合材料的高介電常數由快速的粒子內極化和緩慢的粒子間極化共同貢獻。絕緣外殼的形成使兩種極化能夠獨立控制，而這兩種極化在常規的滲流型復合材料中發生耦合（一起增大或減小）。通過促進粒子內極化和抑制粒子間極化，核殼結構納米復合材料可以同時獲得高介電常數和低介電損耗，遠遠超過未改性的納米填料復合材料。此外，熱導率和高場電阻率也得到了改善，從而在服役期間實現穩定和低溫。該研究工作為設計具有高介電常數、低介電損耗以及改善熱機械性能的滲流型聚合物復合材料提供了新的范例。相關研究成果以“Decoupling of inter-particle polarization and intra-particle polarization in core-shell structured nanocomposites towards improved dielectric performance”發表于Energy Storage Materials上。
圖1. 導電填料填充的聚合物復合材料中極化機制示意圖
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https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.07.014
2、npj Computational Materials：利用機器學習設計高能量密度聚合物納米復合材料
研究聚合物納米復合材料的微觀結構與性能之間的關系對于設計先進的靜電儲能電介質材料至關重要。
最近，武漢理工大學的研究人員及其合作者開發了一個集成相場模型來模擬聚合物納米復合材料的介電響應、電荷輸運和擊穿過程。基于6615個高通量計算結果，提出了一種機器學習策略來評價儲能能力。研究發現，平行鈣鈦礦納米片更傾向于阻斷電荷，然后驅動電荷隨x-y平面上的界面遷移，這可以顯著改善聚合物納米復合材料的擊穿強度。為了驗證這一預測，研究人員制備了P(VDF-HFP)/Ca2Nb3O10聚合物納米復合材料，其最高放電能量密度跟原始聚合物相比幾乎翻了一倍，達到35.9 J cm?3，這主要得益于增強的擊穿強度（853 MV m-1)。這項工作為二維鈣鈦礦納米片在耐高壓柔性電介質領域的應用奠定了基礎。相關研究以“Designing polymer nanocomposites with high energy density using machine learning”發表于npj Computational Materials上。
圖2. 從理論預測到目標實驗的“模擬引導”材料開發范式
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https://www.nature.com/articles/s41524-021-00578-6
3、Adv. Mater. Interfaces：近零熱膨脹Ba1?xSrxZn2Si2O7基微波介質陶瓷用于具有集成透鏡的3D打印介質諧振器天線
航空航天等極端環境對高增益、低重量、寬帶寬和小型化透鏡天線的溫度穩定性有著強烈的要求。然而，具有近零熱膨脹和頻移的高性能微波介質陶瓷非常少見。此外，3D打印工藝的要求也限制了其發展。
近日，華中科技大學的研究人員報道了一種0.95(0.9Zn1.8SiO3.8-0.1Ba0.4Sr0.6Zn2Si2O7)-0.05CaTiO3陶瓷，體系中具有負熱膨脹系數（CTE）的Ba0.4Sr0.6Zn2Si2O7和具有正共振頻率溫度系數（τf）的CaTiO3可以有效地將Zn1.8SiO3.8的CTE和τf調節到接近零的值。采用立體光刻3D打印技術制作的Ku波段Luneburg集成透鏡天線在10.45-11.39 GHz范圍內的平均增益為8.06 dBi，在12.27-13.45 GHz范圍內的平均增益為10.3 dBi，在衛星通信中展現出潛在的應用前景。相關研究工作以“Near-Zero Thermal Expansion Ba1-xSrxZn2Si2O7-Based Microwave Dielectric Ceramics for 3D Printed Dielectric Resonator Antenna with Integrative Lens”為題發表于Adv. Mater. Interfaces上。
圖3. 介質諧振器天線的模擬電場分布和輻射分布
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https://doi.org/10.1002/admi.202100584
2 電磁屏蔽材料
1、ACS Appl. Mater. Interfaces：通過雙導電相調節滲流閾值實現C和X波段的高效微波吸收
C和X波段高效吸波材料的研制仍然是一個挑戰，這限制了相應的電磁污染和雷達隱身問題的解決。
近日，南京航空航天大學的研究人員使用一步溶劑熱法成功制備了還原氧化石墨烯(RGO)/Cu/Fe3O4復合材料，其中GO的分散量為5毫升，Fe3O4在C波段因自然共振而表現出高磁損耗，銅納米棒和RGO作為雙導體相，通過調節滲流閾值來產生合適的介電性能。結果表明，銅納米棒的存在顯著降低了復合材料的導電性和介電損耗，從而優化了C波段和X波段的衰減能力和阻抗匹配，使復合材料獲得了優異的吸波性能。在3.1 mm的厚度下，其最大有效吸收帶寬（effective absorption bandwidth，EAB）為5.2 GHz，覆蓋了84%的C波段和46%的X波段（4.64?9.84 GHz），性能優于相應波段的絕大多數吸波材料。相關研究工作以“Regulating Percolation Threshold via Dual Conductive Phases for High-Efficiency Microwave Absorption Performance in C and X Bands”發表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。
圖4. 通過雙導電相調節滲流閾值實現C和X波段的高效微波吸收
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https://doi.org/10.1021/acsami.1c10110
2、ACS Nano：用于太赫茲吸收和屏蔽的不依賴基底的Ti3C2Tx MXene水性涂料
隨著太赫茲（THz）技術的發展，對避免電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）或污染的THz屏蔽/吸收材料的需求日益增長。可快速固化成薄膜并穩定地粘附在任意襯底上的涂料在屏蔽/吸收應用中引起了人們的興趣。近年來，具有高導電性和親水性的MXenes在電磁干擾屏蔽領域受到關注。
近日，電子科技大學的研究人員展示了一種基于共聚聚丙烯酸酯乳液（PAL）的MXene水性涂料（MWP），不僅具有很強的太赫茲電磁干擾屏蔽/吸收效率，還可以輕松地粘附到幾種太赫茲頻段常用的基板上。MWP的粘度可通過調整膠體和粘性力進行調節，PAL中的氰基在MWP和基板之間提供了強大的分子間極性相互作用。因此，石英上38.3 μm厚的MWP顯示出64.9 dB的屏蔽效能，在涂覆了MWP的海綿泡沫上獲得了32.8 dB的優異反射損耗。這種不依賴襯底的MWP提供了實現高性能太赫茲屏蔽/吸收的簡單有效方法。相關工作以“Substrate-Independent Ti3C2Tx MXene Waterborne Paint for Terahertz Absorption and Shielding”發表于ACS Nano上。
圖5. 用于太赫茲吸收和屏蔽的不依賴基底的Ti3C2Tx MXene水性涂料
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https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04656
3 熱管理材料
1、ACS Appl. Mater. Interfaces：具有顯著熱導率增強的銀納米粒子嵌入合成納米紙
由納米纖維化纖維素（nanofibrillated cellulose，NFC）制成的納米紙因其重量輕、易于切割、成本低和可持續性等優點，是電子設備熱管理應用的潛力材料。
最近，華南理工大學的研究人員報道了一種簡便的制備策略來構建由雙醛納米纖維化纖維素（dialdehyde nanofibrillated cellulose，DANFC）和銀納米顆粒（AgNPs）組成的合成納米紙，其表現出良好的導熱性能。受醛基啟發，通過銀鏡反應在DANFC表面原位引入AgNPs。由于合成納米紙中的分子間氫鍵，DANFC能夠使AgNPs均勻分散，并促進多級結構的形成。研究發現，AgNPs包覆的DANFC（DANFC/Ag）合成納米紙可以很容易地形成聲子轉移的有效導熱通路。因此，僅含1.9 vol% Ag的DANFC/Ag合成納米紙的熱導率（TC）比純NFC納米紙高5.35倍，即每vol% Ag的TC增強為230.0%，這得益于纖維素納米纖維上修飾的AgNPs連接形成的連續導熱通路。這種DANFC/Ag合成納米紙有望作為熱管理材料在下一代便攜式電子設備中得到應用。相關研究工作以“Silver-Nanoparticle-Embedded Hybrid Nanopaper with Significant Thermal Conductivity Enhancement”發表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。
圖6. 具有顯著熱導率增強的銀納米粒子嵌入合成納米紙
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https://doi.org/10.1021/acsami.1c08894
4 熱電材料
1、Mater. Today Phys.：La摻雜抑制N型Mg3Bi2-xSbx晶格氧并改善熱電性能
微量元素摻雜的n型Mg3Bi2-xSbx具有優異的熱電性能，但這類材料的熱電性能增強背后的結構起源尚未得到充分研究，這限制了其熱電性能的進一步提高。
最近，中國科學院應用超導重點實驗室和電子工程研究所的研究人員對多晶Mg3.2Bi1.5Sb0.5中與La摻雜相關的原子和電子結構進行了同步輻射X射線衍射和X射線吸收光譜研究，并分析了其與熱電性能的聯系。實驗觀察到在未摻雜的Mg3.2Bi1.5Sb0.5中Mg6Bi6六角圓柱空腔內存在間隙氧，這可能是其半導體行為的起源，而La可以有效抑制間隙氧，導致Bi的價態從-2.20變為更負（-3.35）。此外，由于優化的載流子濃度和增加的霍爾遷移率，La摻雜Mg3.2Bi1.5Sb0.5的熱電性能顯著提高，在525 K時的zT值約為0.75。該研究工作以“Depressed Lattice Oxygen and Improved Thermoelectric Performance in N-type Mg3Bi2-xSbx via La-doping”為題發表于Mater. Today Phys.上。
圖7. 熱導率和熱電優值隨溫度的變化
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https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100485
2、ACS Energy Lett.：高性能熱電能量轉換——AgSbTe2中原子有序的故事
近期Roychowdhury等人（Science, 2021, 371, 722）在Cd摻雜多晶AgSbTe2中獲得了高度增強的熱電優值zT≈2.6（573K），將這種材料帶到了熱電與能源研究的前沿。多晶AgSbTe2中的Ag/Sb離子有序長期以來一直是一個具有挑戰性的問題：盡管有多個理論預測和實驗研究，在多晶樣品的陽離子亞晶格中，它們的有序排列仍然難以捉摸。
最近，印度尼赫魯先進科學研究中心的研究人員發表綜述文章，指出通過選擇性陽離子摻雜增強Ag/Sb有序性，在多晶AgSbTe2中出現的陽離子有序納米尺度（2?4 nm）疇可降低晶格熱導率。增強的陽離子有序還使得無序誘導的局域電子態離域化，因此電子運輸增強。該文章以AgSbTe2為例，提供了利用最近發展起來的原子有序-無序優化策略來合理設計高性能熱電材料的細節。由于原子無序普遍存在于大多數熱電材料中，這種原子有序?無序優化策略將適用于大部分熱電材料。論文以“High-Performance Thermoelectric Energy Conversion: A Tale of Atomic Ordering in AgSbTe2”發表于ACS Energy Lett.上。
圖8. 高性能熱電材料中的原子有序
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https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c01184
3、Nature Materials：熱電優值超越單晶的多晶SnSe
熱電材料從廢熱中產生電能，其轉換效率由無量綱的熱電優值ZT決定。單晶硒化錫（SnSe）在913 K表現出約2.2-2.6的高ZT值，但是其更具實用價值的多晶形態ZT值較低，阻礙了低成本無鉛熱電材料的開發。多晶塊體性能差的原因是痕量的錫氧化物覆蓋在SnSe粉末表面，增加了導熱性，降低了導電性，從而降低了ZT值。
最近，韓國首爾大學的研究人員及其合作者報道了一種空穴摻雜的SnSe多晶樣品，試劑經過仔細純化，去除錫氧化物后，在783 K下表現出約3.1的ZT值。這種材料的晶格熱導率極低，在783 K下約為0.07?W?m-1K-1，低于單晶。該研究表明在多晶樣品中實現超高熱電性能的途徑是從SnSe顆粒表面合適地去除有害的導熱氧化物，相應的高性能熱電材料有望在熱電發電機等電子設備中得到應用。相關研究工作以“Polycrystalline SnSe with a thermoelectric figure of merit greater than the single crystal”發表于Nature Materials上。
圖9. 純化前后NaxSn0.995-xSe的熱電性能
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https://www.nature.com/articles/s41563-021-01064-6
4、Mater. Today Phys.：孤電子對工程：在Al摻雜GeTe基合金中實現超低晶格熱導率和增強的熱電性能
IV-VI化合物中孤電子對在調節聲子和電子輸運、實現優異的熱電性能方面起著重要作用。
近日，深圳大學的研究人員從理論上揭示了Al摻雜GeTe中一個獨特的孤電子對畸變特征，并進一步通過實驗證明Al摻雜降低了晶格熱導率。由于聲子速度的降低和非諧性的增強，再加之點缺陷和層錯的其它聲子散射機制，在773 K時，Al摻雜GeTe表現出~0.21 Wm-1K-1的超低晶格熱導率。此外，由于Al-3s孤對電子的畸變分布，Al在GeTe中表現出異常的p型摻雜行為。結合Al、Sb和Pb的摻雜效應，在Ge0.74Al0.02Pb0.1Sb0.1Te體系中，可以在773 K時獲得2.21的高ZT值，在300-773 K的溫度范圍內獲得1.51的高平均ZT值。該研究揭示了孤電子對畸變對增強GeTe的ZT值的影響，也為開發其它高ZT熱電材料提供了新的思路。相關研究工作以“Lone-Pair Engineering: Achieving Ultralow Lattice Thermal Conductivity and Enhanced Thermoelectric Performance in Al-doped GeTe-based alloys”發表于Mater. Today Phys.上。
圖10. （a）熱電優值隨溫度的變化；（b）300-773 K溫度范圍內的平均ZT值
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https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100497
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