1 電介質(zhì)材料

1、Nature Electronics：由無機(jī)分子晶體薄膜制成的晶圓級范德華電介質(zhì)

范德華電介質(zhì)，如六方氮化硼，廣泛用于保持電子器件中二維半導(dǎo)體的固有特性。然而，在晶圓規(guī)模上制造這些材料并將其與二維半導(dǎo)體集成是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兊暮铣赏ǔＰ枰獧C(jī)械剝離或氣相沉積工藝。

最近，華中科技大學(xué)的研究人員報(bào)道了一種通過熱蒸發(fā)沉積制備三氧化二銻（Sb2O3）無機(jī)分子晶體薄膜，從而在晶圓尺度上制造高κ范德華電介質(zhì)的方法。使用這種電介質(zhì)材料作為襯底的單層二硫化鉬（MoS2）場效應(yīng)晶體管表現(xiàn)出比使用SiO2基片時(shí)增強(qiáng)的電子遷移率（26 cm2 V?1s?1至145 cm2 V?1s?1）和更低的傳遞曲線回路。由Sb2O3薄膜直接選通的MoS2晶體管可以在0.8 V電源電壓下工作，?開/關(guān)比為108，300 K時(shí)的亞閾值擺幅為64mVdec-1。該研究工作以“A wafer-scale van der Waals dielectric made from an inorganic molecular crystal film”發(fā)表于Nature Electronics上。

圖1. Sb2O3薄膜的介電性能

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https://www.nature.com/articles/s41928-021-00683-w

2、J. Eur.  Ceram. Soc.：Mg1.8R0.2Al4Si5O18堇青石微波介質(zhì)陶瓷的介電性能及其在5G微帶貼片天線中的應(yīng)用

5G/6G通信技術(shù)的發(fā)展對微波介質(zhì)陶瓷的性能提出了更高的要求，包括低介電常數(shù)（εr）、高品質(zhì)因數(shù)（Q×f）和近零諧振頻率溫度系數(shù)（τf），這對于超高傳輸速度和溫度穩(wěn)定性至關(guān)重要。此外，還需要考慮重量和成本問題。

最近，杭州電子科技大學(xué)的研究人員研究了二價(jià)離子對Mg1.8R0.2Al4Si5O18堇青石陶瓷介電性能的影響，利用絡(luò)合物化學(xué)鍵理論、拉曼光譜和紅外反射光譜研究了堿土金屬和過渡金屬二價(jià)元素?fù)诫s堇青石陶瓷的結(jié)構(gòu)特征、振動模式和微波介電性能之間的關(guān)系。其中，Mg1.8Ni0.2Al4Si5O18微波介質(zhì)陶瓷體系表現(xiàn)出4.53的εr值，61880 GHz的Q×f值和-32 ppm/℃的τf值。使用其作為基板設(shè)計(jì)并制作了中心頻率為4.91 GHz的5G-sub 6G貼片天線，其增益為5.83 dBi，效率為76%，這使得這種材料有望應(yīng)用于5G/6G毫米波通信技術(shù)。該研究工作以“Microwave dielectric properties of Mg1.8R0.2Al4Si5O18(R = Mg, Ca, Sr, Ba, Mn, Co, Ni, Cu, Zn) cordierite ceramics and their application for 5G microstrip patch antenna”發(fā)表于J. Eur. Ceram. Soc.上。

圖2. 使用微波介質(zhì)陶瓷作為基板制作的天線的性能

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https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.12.050

2 熱管理材料

1、Composites Part A：氮化硼亞微米管的可控合成及其在環(huán)氧樹脂-聚合物復(fù)合材料中的優(yōu)異力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能

電子元件集成度提高和小型化導(dǎo)致功率密度顯著增加，熱量迅速積累，對電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。提高電子封裝材料的導(dǎo)熱系數(shù)已成為近年來的研究熱點(diǎn)。環(huán)氧樹脂等聚合物材料由于其優(yōu)異的機(jī)械性能、較長的使用壽命和優(yōu)異的防潮/耐腐蝕性，在電子工業(yè)中被廣泛用作粘合劑、涂料和封裝材料。目前，用導(dǎo)熱絕緣填料填充聚合物基體是提高聚合物導(dǎo)熱性能的常用方法。在眾多導(dǎo)熱填料中，六方氮化硼（BN）具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能（面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)600 W·m?1K?1）和出色的熱穩(wěn)定性（在空氣中高達(dá)1000℃）。

最近，桂林理工大學(xué)的研究人員及其合作者提出了一種以硼酸鎂晶須為剛性模板可控合成新型氮化硼亞微米管的方法。結(jié)果表明，氮化硼亞微米管的平均內(nèi)徑為0.6 μm，管長為5-30 μm，表面負(fù)載有豐富的氮化硼納米片。研究人員確定了這種氮化硼亞微米管的生長機(jī)理，并制備了亞微米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。結(jié)果顯示，在1 wt%的低含量下，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比純環(huán)氧樹脂高281.4%。當(dāng)含量為2 wt%時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)增加312%。該研究工作以“Controllable synthesis of boron nitride submicron tubes and their excellent mechanical property and thermal conductivity applied in the epoxyresin polymer composites”發(fā)表于Composites Part A上。

圖3. 復(fù)合材料的面外熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)率隨BNSR質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

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https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106783

3 熱電材料

1、Adv. Energy Mater.：在GeTe中通過NaSbTe2合金化同時(shí)抑制Ge空位和帶隙剪裁實(shí)現(xiàn)高熱電性能

GeTe合金因其高的轉(zhuǎn)化效率而受到廣泛關(guān)注。然而，原始GeTe具有大量本征Ge空位，導(dǎo)致非常高的空穴濃度（1021 cm?3）。

近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員發(fā)表論文，指出由于Ge空位形成能的增加，通過在GeTe中合金化NaSbTe2可實(shí)現(xiàn)載流子濃度的降低。這種合金化還降低了菱方GeTe中價(jià)帶之間的能量分離，并在立方GeTe中沿Γ-L和L-W費(fèi)米表面周圍誘導(dǎo)了兩個(gè)額外的價(jià)帶口袋（valence band pockets），這有助于在較寬的溫度范圍內(nèi)提高功率因數(shù)。由于Na、Ge和Sb的結(jié)晶學(xué)無序?qū)е麓罅课诲e和應(yīng)變，再加上晶格熱導(dǎo)率較低，在(GeTe)90(NaSbTe2)10體系中獲得了~2.35的最大zT值（773 K）和1.33的平均zTave值（300-773 K）。相關(guān)研究工作以“Achieving High Thermoelectric Performance by NaSbTe2 Alloying in GeTe for Simultaneous Suppression of Ge Vacancies and Band Tailoring”發(fā)表于Adv. Energy Mater.上。

圖4. 熱電性能與文獻(xiàn)對比

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https://doi.org/10.1002/aenm.202103385

2、Adv. Funct. Mater.：利用化學(xué)鍵原理加速超低晶格導(dǎo)熱材料的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)

具有極低晶格熱導(dǎo)率的半導(dǎo)體非常適合于熱能轉(zhuǎn)換和管理相關(guān)應(yīng)用，例如熱電和熱障涂層。盡管已知晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵在形成傳熱行為方面起著至關(guān)重要的作用，但利用化學(xué)鍵原理降低晶格導(dǎo)熱系數(shù)的材料設(shè)計(jì)方法并不常見。

近日，北京科技大學(xué)和美國西北大學(xué)的研究人員提出了一種基于化學(xué)鍵原理削弱原子間相互作用從而抑制晶格熱導(dǎo)率的有效策略，并開發(fā)了一種通過篩選晶體化合物的局部配位環(huán)境來發(fā)現(xiàn)低κL材料的高效方法?；谶@種方法的第一性原理計(jì)算從無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中包含的13個(gè)原型晶體結(jié)構(gòu)里發(fā)現(xiàn)了30種迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)的具有（超）低晶格熱導(dǎo)率的化合物。此外，通過將陽離子與立體化學(xué)活性孤對電子結(jié)合，展示了一種合理設(shè)計(jì)高性能熱電材料的方法。這些結(jié)果不僅在原子水平上深入了解了一大類銅/銀基化合物中低晶格熱導(dǎo)率的物理起源，而且為發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)具有目標(biāo)熱傳輸特性的材料提供了有效途徑。相關(guān)研究內(nèi)容以“Accelerated Discovery and Design of Ultralow Lattice Thermal Conductivity Materials Using Chemical Bonding Principles”發(fā)表于Adv. Funct. Mater.上。

圖5.具有典型結(jié)構(gòu)的化合物和本工作中發(fā)現(xiàn)的化合物的vm跟平均質(zhì)量M的關(guān)系

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https://doi.org/10.1002/adfm.202108532

4 電磁屏蔽材料

1、Comp.  Sci. Tech.：超寬頻吸收主導(dǎo)型電磁干擾屏蔽用多級結(jié)構(gòu)彈性體

下一代精密電子設(shè)備和可穿戴電子設(shè)備迫切需要低二次電磁輻射的柔性電磁干擾（EMI）屏蔽材料。然而，實(shí)現(xiàn)超低微波反射率和在寬頻范圍內(nèi)保持強(qiáng)吸收特性仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

最近，四川大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種天然橡膠基柔性多級復(fù)合材料，其在厚度為0.18mm時(shí)表現(xiàn)出34.4 dB的EMI屏蔽系數(shù)，并實(shí)現(xiàn)了0.1的最小電磁波反射系數(shù)。在幾乎整個(gè)Ku波段，超過80%的入射電磁波可以被吸收，且經(jīng)過500次變形循環(huán)后，EMI屏蔽性能仍然表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。該工作揭示了精確控制納米顆粒分布對電磁干擾屏蔽性能的影響以及通過耦合層實(shí)現(xiàn)吸收主導(dǎo)的方法，為設(shè)計(jì)具有低二次電磁污染的柔性EMI屏蔽材料開辟了新的路徑。相關(guān)研究工作以“Hierarchically structured elastomer for absorption-dominnated  electromagnetic interference shielding in an ultra-wide band”發(fā)表于Comp. Sci. Tech.上。

圖6. 超寬頻吸收主導(dǎo)型電磁干擾屏蔽用多級結(jié)構(gòu)彈性體

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https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.109221

2、ACS Appl. Mater. Interfaces：通過錨定金屬-有機(jī)框架的空心絲瓜狀纖維獲得用于高效微波吸收的多級HCF@NC/Co

具有介電-磁雙損耗機(jī)制的多級電磁波（EMW）吸收材料是高效EMW衰減的候選材料。

最近，鄭州大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種多級介電-磁性復(fù)合材料——空心碳纖維@氮摻雜碳/鈷(HCF@NC/Co)，可產(chǎn)生良好的阻抗匹配以及異質(zhì)界面、偶極活性位點(diǎn)、多級孔結(jié)構(gòu)等導(dǎo)致的多種極化損耗，其填充量為14%時(shí)，最小反射損耗（RLmin）值為?50.14 dB，厚度為2.25 mm，最大有效吸收帶寬（EABmax）達(dá)到7.36 GHz。同時(shí)，還可以通過優(yōu)化樣品厚度實(shí)現(xiàn)對EAB的調(diào)控，使其適用于更寬的頻率范圍。該研究工作以“Hierarchical HCF@NC/Co Derived from Hollow Loofah Fiber Anchoredwith Metal-Organic Frameworks for Highly Efficient Microwave Absorption”發(fā)表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

圖7.具有高效微波吸收性能的多級HCF@NC/Co材料

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c21396

5 電子封裝材料

1、Mater. Today Phys.：電子封裝用高熱導(dǎo)低介電聚合物復(fù)合材料的研究進(jìn)展

聚合物因其易于加工、重量輕、絕緣性好、機(jī)械性能好而廣泛應(yīng)用于電子封裝中。然而，隨著電子器件逐漸向高能量密度和低信號延遲方向發(fā)展，對高熱導(dǎo)率和低介電性能的聚合物材料需求日益迫切。由于聚合物具有較低的本征導(dǎo)熱系數(shù)，在制備聚合物復(fù)合材料時(shí)需要添加導(dǎo)熱填料。然而，聚合物復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和介電性能之間始終存在著一種折衷關(guān)系，這是研究人員開發(fā)新型電子封裝材料時(shí)必須要考慮的因素。

最近，南京未來能源系統(tǒng)研究院的研究人員及其合作者發(fā)表綜述文章，首次闡述了如何平衡高導(dǎo)熱性和低介電性能。該文章綜述了近年來導(dǎo)熱填料的研究進(jìn)展，旨在為高分子復(fù)合材料在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。此外，還概述了高導(dǎo)熱性和低介電性能聚合物面臨的挑戰(zhàn)和展望。相關(guān)論文以“Review on polymer composites with high thermal conductivity and low dielectric properties for electronic packaging”發(fā)表于Mater. Today Phys.上。

圖8.電子封裝用高熱導(dǎo)低介電聚合物復(fù)合材料的研究進(jìn)展

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https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100594

文字 | 科研管理辦

編輯 | 公共關(guān)系與宣傳辦