1 熱管理材料

1、Nano Lett.：聚合物層間氮化硼納米管接觸熱阻的雙向調制

在需要快速散熱的應用中，提高聚合物復合材料的導熱系數(shù)可以提高其性能表現(xiàn)。該領域一個長期存在的問題是納米填料之間的接觸熱阻，其對復合材料的熱性能起到關鍵作用。

最近，美國范德堡大學的研究人員通過對有/無PVP夾層的不同直徑氮化硼納米管（boron nitride nanotubes，BNNT）之間的接觸熱阻進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)裸BNNT之間的接觸熱阻很大程度上取決于彈道聲子反射。有趣的是，研究發(fā)現(xiàn)PVP夾層可以提高或降低接觸熱阻，這是將彈道聲子主導的輸運轉化為通過PVP層的擴散的結果。這些結果揭示了先前未被認識的BNNT之間接觸處熱傳輸?shù)奈锢韴D像，為高導熱BNNT-聚合物復合材料的設計提供了依據(jù)。相關研究工作以“Bidirectional Modulation of Contact Thermal Resistance between Boron Nitride Nanotubes from a Polymer Interlayer”為題發(fā)表于Nano Lett. 上。

圖1. 聚合物層間氮化硼納米管接觸熱阻的雙向調制

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https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02504

2、ACS Appl. Mater. Interfaces：用于超寬帶隙電子器件熱管理的SiC上Ga2O3復合晶圓

β相氧化鎵（Ga2O3）是一種新興的超寬帶隙半導體（EG~4.8 eV），與當今基于GaN和SiC的商用寬帶隙功率電子器件相比，它在性能和制造成本方面有望實現(xiàn)代際改進。然而，散熱問題是Ga2O3器件性能提升和商業(yè)化的主要瓶頸。

最近，美國賓夕法尼亞州立大學的研究人員報道了一種新型的具有高傳熱性能和“開盒即用（epi-ready）”表面光潔度的Ga2O3/4H-SiC復合晶圓，采用熔合-鍵合方法制成。利用低溫金屬有機氣相外延技術，在復合晶圓上成功生長了Ga2O3外延層，同時保持了復合晶圓的結構完整性而不會造成界面損傷。在600℃的生長溫度下，可獲得室溫霍爾遷移率為~94 cm2/Vs，體積電荷為~3×1017 cm-3的原子級平滑同質外延薄膜。研究團隊利用掃描透射電子顯微鏡、頻域熱反射和微分穩(wěn)態(tài)熱反射方法對Ga2O3/4H-SiC界面上的聲子輸運進行了分析，發(fā)現(xiàn)界面處的聲子輸運主要取決于SiNx鍵合層的厚度和意外形成的SiOx中間層。通過時域熱反射研究了影響Ga2O3層（厚度6.5 μm）熱導率的非本征效應，結合熱模擬估計了在復合襯底上制造的單指（single-finger）Ga2O3金屬-半導體場效應晶體管的熱性能改善。結果表明，器件熱阻可降低~4.3倍。此外，將復合晶圓應用于實際多指器件的設計可獲得更顯著的冷卻效果。這一研究為超寬帶隙半導體材料在器件級熱管理中的應用帶來了希望，這將導致電力電子設備的功率密度和效率比當前最先進的商業(yè)設備有顯著提高。相關研究工作以“Ga2O3-on-SiC Composite Wafer for Thermal Management of Ultrawide Bandgap Electronics”發(fā)表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

圖2. 用于超寬帶隙電子器件熱管理的SiC上Ga2O3復合晶圓

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c0973

2 電磁屏蔽材料

J. Mater. Chem. C：一種原位合成具有雙耦合作用、優(yōu)異毫米波吸收性能的復合材料的簡便方法

眾所周知，硬/軟磁交換耦合和鐵電-鐵磁耦合都能促進微波吸收。BaZrxFe12-xO19/Fe3O4/BaZrO3復合材料可以集成這兩種耦合作用的優(yōu)點，然而，由于抗氧化程度不同，原位合成BaFe12O19/Fe3O4仍然是一個挑戰(zhàn)。

近日，南京航空航天大學的研究人員及其合作者巧妙地利用石墨烯在高溫下的還原性，通過水熱合成加后續(xù)600℃的熱處理，成功原位制備了BaZrxFe12-xO19/Fe3O4/BaZrO3復合材料。體系中硬/軟磁交換耦合相互作用和鐵電-鐵磁耦合的協(xié)同效應導致了良好的阻抗匹配和衰減特性，使得該復合材料在1.00 mm的極薄厚度下，獲得了超過7.36 GHz（32.64-40.00+GHz）的吸收寬帶和-25.4 dB的強反射損耗，從而可以有效衰減35 GHz大氣窗口周圍的毫米波。該策略為設計性能優(yōu)異的毫米波吸收材料提供了一條新穎而簡便的途徑。相關研究內容以“A novel and facile route to in-situ formation of composites withdual coupling interactions for considerable millimeter-wave absorption performance”發(fā)表于J. Mater. Chem. C上。

圖3.樣品的毫米波吸收性能及與文獻值的對比

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https://doi.org/10.1039/D1TC03398K

3 電介質材料

Mater. Chem. Frontiers：腈和Jeffamine結構基元對可拉伸高k純聚酰亞胺材料的協(xié)同效應

不斷擴展的電子應用對具有集成功能的聚合物材料開發(fā)提出新的需求，其中采用簡便有效的合成方法獲得具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性、拉伸性和表面粘附性的高k聚酰亞胺電介質材料受到關注。

最近，羅馬尼亞彼得魯龐尼高分子化學研究所的研究人員報道了一種利用高極性腈和Jeffamine鏈段的協(xié)同效應來制備非晶態(tài)半互穿聚合物網絡（semi-interpenetrating polymer networks，SIPN）的方法。這種SIPN薄膜具有韌性和高拉伸性，斷裂時的最大應變?yōu)?16%，同時在相互接觸或與其他材料接觸時具有自粘性。含腈段的合理結構變化使得介電常數(shù)在106 Hz時達到19，這是迄今為止報道的純聚酰亞胺材料的最高介電常數(shù)值之一。由此得到的SIPN顯示出高達220V/μm的擊穿強度和1.092J/cm3的儲能密度。對這些全有機高k聚合物電介質的分子動力學和載流子導電性的新見解有望為可拉伸電子器件的設計開發(fā)奠定基礎。這一研究工作以“The synergistic effect of nitrile and jeffamine structural elementstowards stretchable and high-k neat polyimide materials”發(fā)表于Mater. Chem. Frontiers上。

圖4. 擊穿強度的Weibull分布

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https://doi.org/10.1039/D1QM00643F

4 熱電材料

1、Nature Communications：低熱導率Pb7Bi4Se13中嵌套導帶收斂實現(xiàn)高熱電性能

由于低熱電效率，硫鉍鉛礦材料長期被忽視。

近日，新加坡南洋理工大學的研究人員及其合作者報道了在Pb7Bi4Se13基硫鉍鉛礦材料中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)異熱電性能，其800 K下的最大熱電優(yōu)值達到1.35，在450-800 K溫度范圍內的平均zT值為0.92。研究團隊建立了一個獨特的品質因子來預測和評估熱電性能，它同時考慮了能帶非拋物性和帶隙，這在傳統(tǒng)的品質因子中通常被忽略不計。優(yōu)異的熱電性能可歸因于有效嵌套導帶的收斂，提供了大量的谷簡并度和低熱導率，其起源于大的晶格非諧性、低頻愛因斯坦局域模以及高密度莫爾條紋和納米級缺陷的共存。這項工作證實基于Pb7Bi4Se13的硫鉍鉛礦材料是高效熱電轉換的理想候選材料。相關研究以“Highthermoelectric performance enabled by convergence of nested conduction bands in  Pb7Bi4Se13 with low thermal conductivity”發(fā)表于Nature Communications上。

圖5. 熱電性能：（a）電導率；（b）Seebeck系數(shù)；（c）總熱導率；（d）無量綱熱電優(yōu)值zT

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https://www.nature.com/articles/s41467-021-25119-z

2、J. Phys. Chem. Lett.：強耦合層間材料中電輸運和熱輸運的解耦

熱電材料能夠實現(xiàn)熱電轉換，對于半導體器件的熱管理至關重要。實現(xiàn)高熱電性能需要阻斷熱傳輸并保持高電子傳輸，但同時滿足這兩個條件是一個挑戰(zhàn)。

最近，中國科學院半導體超晶格國家重點實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)調整層間距離可以有效地調節(jié)電導熱和熱導率，具有適當層間距離的IV-VI和V族半導體可以表現(xiàn)出高熱電性能。以SnSe為例，在面外方向上，離域pz軌道結合相對較小的層間距離，導致反鍵態(tài)波函數(shù)重疊，這有利于高電子輸運。然而，由于化學鍵的斷裂，面外熱導率很小。這項研究提供了一種在不增加熱導率的情況下提高電導率的策略，從而為熱電器件的設計提供了新的依據(jù)。該研究工作以“Decoupling of the Electrical and Thermal Transports in Strongly Coupled Interlayer Materials”發(fā)表于J. Phys. Chem. Lett.上。

圖6. 強耦合層間材料中電輸運和熱輸運的解耦

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https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c01783

3、Adv. Mater.：優(yōu)化電子品質因數(shù)實現(xiàn)高性能Ge1-x-yTaxSbyTe熱電材料——過渡金屬摻雜的作用

由于多波段谷電子技術可實現(xiàn)較高的本征熱電優(yōu)值，GeTe基熱電材料在中溫應用中前景廣闊。過渡金屬被廣泛用作開發(fā)高性能GeTe熱電材料的摻雜劑。

最近，澳大利亞昆士蘭大學的研究人員發(fā)表研究論文，建立了GeTe過渡金屬摻雜、電子品質因子和熱電優(yōu)值之間的相關性。從第一性原理計算中發(fā)現(xiàn)，Ta作為GeTe中尚未發(fā)現(xiàn)的摻雜劑，可以有效地在輕導帶和重導帶極值之間使能量偏移收斂，從而提高高溫下的有效質量。經Ta摻雜后合成的Ge1-x-yTaxSbyTe樣品在775 K的Seebeck系數(shù)從160 μV K-1增大至180 μV K-1，證實了這種策略的有效性。在合金化Sb后，Seebeck系數(shù)繼續(xù)增大到220 μV K-1。電子顯微鏡揭示了與Ta摻雜引起的多尺度晶格缺陷相關的獨特的人字形結構，這大大阻礙了聲子傳播，降低了熱導率。最終，在Ge0.88Ta0.02Sb0.10Te樣品中獲得了2.0的熱電優(yōu)值，在400 K的溫度梯度下最大熱電效率高達17.7%。這一研究為高性能GeTe基熱電材料的探索指出了新的方向。該研究工作以“Optimizing Electronic Quality Factor toward High-Performance Ge1-x-yTaxSbyTe Thermoelectrics: The Role of Transition Metal Doping”發(fā)表于Adv. Mater.上。

圖7. Ge1-x-yTaxSbyTe材料的熱電性能

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https://doi.org/10.1002/adma.202102575

4、J. Am. Chem. Soc.：具有高熱電性能的立方AgMnSbTe3半導體  

MnTe是一種p型硫系半導體，室溫下直接帶隙為1.3 eV，間接帶隙為0.8 eV，作為一種無鉛替代品，在熱電領域引起了越來越多的關注。然而，由于載流子濃度低、空穴遷移率低，導致原始MnTe的導電性較低，這嚴重限制了其熱電性能。

近日，華中科技大學的研究人員及其合作者報道了MnTe與AgSbTe2在等摩爾比（ATMS）下進行反應可獲得一種新型半導體材料AgMnSbTe3。AgMnSbTe3是一種p型半導體，其光學帶隙較窄，為~0.36 eV。對分布函數(shù)（pair distribution function）分析表明，局域畸變與晶格中Ag原子的位置有關。密度泛函理論計算表明體系中存在一種特殊的具有多峰價帶極大值的電子能帶結構，其傾向于能量收斂。此外，Ag2Te納米晶粒在AgMnSbTe3的晶界處析出。AgMnSbTe3和Ag2Te之間價帶邊的能量偏移為~0.05 eV，這意味著Ag2Te析出對空穴傳輸?shù)挠绊懣梢院雎圆挥嫛Ｒ虼耍@種材料在823 K時表現(xiàn)出~12.2 μW cm–1K–2的高功率因數(shù)，~0.34 W m–1 K–1的超低晶格熱導率，1.46的最大熱電優(yōu)值ZT，以及400–823 K溫度范圍內的高平均ZT值（~0.87）。相關研究成果以“Cubic  AgMnSbTe3 Semiconductor with a High Thermoelectric Performance”發(fā)表于J. Am. Chem. Soc.上。

圖8. 具有高熱電性能的立方AgMnSbTe3半導體

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https://doi.org/10.1021/jacs.1c07522

5 先進封裝

1、 IEEET. Comp. Pack. Man.：扇出型三維封裝模型的散熱推導與優(yōu)化

扇出型（FO）封裝的散熱是先進電子封裝的主要問題。由于FO封裝結構復雜，計算耗時長，因此利用FO封裝的實際幾何結構來表征其熱性能是一個挑戰(zhàn)。

近期，江蘇師范大學的研究人員基于等效材料原理建立了簡化的FO模型，并通過有限元仿真驗證了FO數(shù)學模型的正確性。在此基礎上，建立了FO封裝熱阻網絡（FO-TRN）來評估封裝的熱性能，并通過有限元仿真驗證了該網絡的有效性和準確性。通過有限元模擬和FO-TRN計算，研究了RDL的臨界尺寸（critical dimension，CD）、塑封材料的導熱系數(shù)和PCB面積的影響。結果表明，RDL的CD越小，F(xiàn)O封裝的熱阻越大，而塑封料的高導熱性和大的PCB面積有利于散熱。這種簡化的FO模型和FO-TRN對于熱特性描述和管理是可行且有效的。該研究工作以“Heat Dissipation Derivation and Optimization of the Fan-out 3D Package Model”發(fā)表于IEEE T. Comp. Pack. Man.上。

圖9. FO封裝結構示意圖

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DOI: 10.1109/TCPMT.2021.3103098

2、IEEET. Comp. Pack. Man.：基于近場掃描的系統(tǒng)級封裝屏蔽效能分析

由于小型化和高集成度的要求，電磁干擾（electromagneticinterference，EMI）問題對系統(tǒng)級封裝（System-in-package，SiP）至關重要。通常采用屏蔽方法來保護SiP免受電磁干擾，關鍵性能評價指標是屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）。

近日，浙江大學的研究人員及其合作者采用近場掃描法對SiP的SE進行了評估。通過對比分析利用最大近場值和平均近場值導出的SEs，發(fā)現(xiàn)無屏蔽和屏蔽SiP近場模式的差異可能導致使用最大場值方法對SE的高估。仿真和測量結果均表明，SiP與印刷電路板（PCB）之間的間隙將顯著改變屏蔽SiP的輻射方向圖，從而對SE產生很大影響，尤其是當頻率高于1GHz時。然而，基于平均近場的SE和從輻射功率導出的SE之間表現(xiàn)出良好的相關性。本研究揭示了SiP的近場屏蔽特性，有助于建立和分析不同方法（包括近場掃描、橫向電磁室和混波室）測量的SEs之間的相關性。相關研究工作以“Near-Field Scanning based Shielding Effectiveness Analysis of System in Package”發(fā)表于IEEE T. Comp. Pack. Man.上。

圖10. 6 GHz下（a）無屏蔽和（b）屏蔽SiP的切向磁場分布測量結果

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DOI: 10.1109/TCPMT.2021.3096148

文字 | 科研管理辦

編輯 | 公共關系與宣傳辦