1 電介質材料

1、Adv. Mater. ：具有超高儲能性能的無鉛鐵電/順電多層薄膜中可調諧極性拓撲的相場模擬

介質電容器是一種新興的儲能元件，需要高儲能密度和高效率。傳統的儲能增強方法是借助化學改性的極性納米疇工程。

最近，清華大學的研究人員通過利用最近在鐵電/順電多層薄膜中觀察到的可調諧極性拓撲，提出了一種新的疇工程方法。使用相場模擬，發現通過調整應變狀態和層厚，可使BiFeO3/SrTiO3（BFO/STO）多層薄膜中的渦旋、螺旋和面內極性結構穩定。在這些極性拓撲中實現了各種轉換動力學，分別導致弛豫鐵電、反鐵電和類順電極化行為。在STO/BFO/STO三層結構中，實現了超過170 J cm-3的超高儲能密度和超過95%的效率。該策略可普遍用于制備其他多層電介質材料，并通過調控極性拓撲和極化特性提供一種增強儲能性能的新途徑。相關研究工作以“Phase-Field Simulations of Tunable Polar Topologies in Lead-Free Ferroelectric/Paraelectric Multilayers with Ultrahigh Energy-Storage Performance”發表于Adv. Mater.上。

圖1. 三層結構的儲能性能

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https://doi.org/10.1002/adma.202108772

2、ACS  Appl.  Mater. Interfaces：提高鈮酸鈉基反鐵電陶瓷綜合儲能性能的組合優化策略

鈮酸鈉（NaNbO3，NN）基無鉛反鐵電（antiferroelectric，AFE）陶瓷因其優異的儲能密度而受到關注。然而，純NN陶瓷中獨特的場致反鐵電-鐵電相變和低擊穿電場（Eb）所產生的高損耗能量密度（Wloss）在很大程度上限制了它們的實際應用。

最近，濟南大學和齊魯工業大學（山東省科學院）的研究人員提出一種組合優化策略，以改善NN基陶瓷的儲能特性。首先，在純NN陶瓷中引入BiFeO3-SrTiO3二元固溶體破壞長程極性有序，降低了容忍因子（t），從而降低極化滯后，穩定AFE相，以及提高儲能效率。接著采用兩步燒結法提高陶瓷的致密性，減小晶粒尺寸。然后，使用VPP方法降低孔隙率，并將陶瓷厚度減薄至約100 μm——高致密性和小厚度可以有效提高陶瓷的最大擊穿電場。最終，通過改進組合優化策略獲得了最佳的儲能特性，在極高的擊穿電場（Eb=380 kV/cm）下，實現了優異的可恢復儲能密度（Wrec=5.29 J/cm3）和效率（η=82.1%）。這種組合優化策略為改善NN基反鐵電儲能陶瓷的儲能特性提供了一種通用方法。相關研究工作以“A Combined Optimization Strategy for Improvement of Comprehensive Energy Storage Performance in Sodium Niobate-Based Antiferroelectric Ceramics”發表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

圖2. 提高鈮酸鈉基反鐵電陶瓷綜合儲能性能的組合優化策略

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c23914

3、J. Mater.  Chem. C：利用數據科學工具研究摻雜化學對鈦酸鋇鐵電體儲能性能的影響

化學改性是提高鐵電材料儲能性能最常用的方法。然而，由于多種元素可用作摻雜劑，這種策略產生了相當復雜的成分配方，這不利于使用傳統方法（包括基于實驗和理論的計算）來揭示摻雜劑對能量密度的影響。

近期，西北工業大學的研究人員及其合作者使用數據科學工具，特別是機器學習，揭示了摻雜化學對能量密度的影響。為了使分析在統計學上有意義，研究人員將注意力集中在交叉區域（crossover region），在該區域，由于奇異鐵電疇結構，成分具有最佳的能量密度。將擁有70萬種成分的交叉區域使用一個分類模型加以區分（該模型可將鐵電體與弛豫體分離），通過回歸模型預測每個成分的能量密度，并全面考察各個成分中摻雜劑的分布。結果表明，編碼在Ca和Sn中的交互或耦合作用對能量密度有利，與兩種可解釋機器學習算法的分析結果一致。該工作可為復雜材料體系中摻雜化學對靶向性質的研究提供幫助。這項研究工作以“Disentangling the effect of doping chemistry on the energy storage properties of barium titanate ferroelectrics using data science tools”發表于J. Mater. Chem. C上。

圖3. 用可解釋的ML模型研究摻雜元素對能量密度的影響

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https://doi.org/10.1039/D1TC05896G

2 熱管理材料

1、Composites Part  A：調節共價鍵合氮化硼/石墨烯和三維網絡以實現聚合物基熱界面材料的高導熱性

熱界面材料（TIM）具有良好的綜合性能，如高熱導率、良好的電絕緣性和機械性能，在解決先進電子器件的界面傳遞問題方面引起了人們極大的興趣。

最近，中北大學、美國佐治亞理工學院和南京航空航天大學的研究人員通過化學表面改性技術和不同官能團之間的化學反應，開發了一種共價鍵合交聯氮化硼（BN）和還原氧化石墨烯（rGO）的新方法。研究人員采用冰模板法制備了BN-rGO填料與天然橡膠（natural rubber，NR）基體的三維網絡，硫化后的BN-rGO/NR TIMs表現出良好的綜合性能，其跨平面熱導率最高可達1.04 W m?1K?1，并具有對熱流的靈敏響應能力。這種方法為設計綜合性能優異的TIM提供了指導，在電子器件的熱管理中具有廣闊的應用前景。相關研究內容以“Modulation of covalent bonded boron nitride/graphene and three-dimensional networks to achieve highly thermal conductivity for polymer-based thermal interfacial materials”發表于Composites Part A上。

圖4. BN-rGO/NR TIMs的熱導率及傳熱示意圖

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https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.106890

3 電磁屏蔽材料

1、Mater . Today Phys. ：輕質柔性MXene修飾滌綸織物的近場和遠場EMI屏蔽響應

小型化電子器件的廣泛應用對電磁防護提出了新的要求，這使得電磁干擾（EMI）屏蔽材料受到廣泛關注。然而，大多數研究集中在材料的遠場EMI屏蔽上。

近日，深圳先進電子材料國際創新研究院的研究人員及其合作者提出了一種簡便的浸涂策略，可實現MXene/WPU涂覆無紡布(MW@NWF)優異的近場和遠場EMI屏蔽性能。這種MW@NWF材料具有柔韌性強、防水性能好的特點。當MXene含量約為11 wt%時，其EMI屏蔽效能（SE）高達55 dB，近場屏蔽效能在1-9 GHz的頻率范圍內可達-50 dB。此外，這種材料在500次彎曲-釋放循環后表現出長期結構和性能可靠性。這項研究提供了一種簡便有效的方法來實現輕質、柔性且具有高性能近場和遠場EMI屏蔽特性的屏蔽材料。研究內容以“Near-field and far-field EMI shielding response of lightweight and flexible MXene-decorated polyester textiles”發表于Mater. Today Phys.上。深圳先進電子材料國際創新研究院芯片級封裝材料研究中心在讀博士研究生王曉允為該論文的第一作者，電磁屏蔽材料研究中心萬艷君副研究員和芯片級封裝材料研究中心朱朋莉研究員為該論文的共同通訊作者。

圖5. MW@NWF材料的近場屏蔽性能

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https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100644

2、Composites Science and Technology：聚合物基復合材料電磁干擾屏蔽效能的普適行為

關于電磁屏蔽材料的屏蔽效能與電導率等參數之間的關系的理論研究已有報道，然而，在大多數情況下，這種相關性遵循的經驗關系并不適用于所有復合材料。

最近，法國國家科學研究中心的研究人員及其合作者使用不同種類的填料（多壁碳納米管、炭黑、鍍銀玻璃微纖維）制備了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基復合材料，并在較寬的頻率范圍內研究了其電磁干擾屏蔽性能和電學性能。通過結合理論分析和實驗分析，發現無論導電材料（碳基或金屬）的性質如何，電磁屏蔽效能、電導率和樣品厚度之間的關系都遵循著一種普適行為，所有實驗點都落在理論分析預測的一條普適曲線上。這不僅適用于研究團隊自己的實驗結果，也適用于科學文獻中報道的關于其他類型聚合物基體和其他類型填料的大量實驗數據。這項發現打開了基于復合材料電學性能精準預測其電磁干擾屏蔽效能的大門。該研究工作以“Universal behavior for electromagnetic interference shielding effectiveness of polymer based composite materials”發表于Composites Science and Technology上。

圖6. 聚合物基復合材料電磁干擾屏蔽效能的普適行為

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https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109351

3、ACS Appl. Mater. Interfaces：用于寬頻電磁干擾屏蔽的輕質高壓縮可膨脹聚合物微球/銀納米線復合材料

在消除電磁污染方面，探索具有優異屏蔽效能的輕質可壓縮電磁干擾（EMI）屏蔽材料仍然是一個巨大的挑戰。

最近，深圳先進電子材料國際創新研究院的研究人員通過簡單的熱膨脹工藝，在封閉空間中制備得到一種具有微米級閉孔和界面銀納米線導電網絡的輕質高壓縮可膨脹聚合物微球/銀納米線（EPM/AgNW）復合材料。當AgNW含量為0.127 vol%時，這種EPM/AgNW復合材料表現出低密度（0.061 g/cm3）、高壓縮性和高抗壓強度（92.6%壓縮應變下為4.25 MPa），在8–40 GHz的寬頻范圍內表現出高屏蔽效能（超過40 dB，1 mm）。通過將AgNW含量增加至0.340 vol%，可將其屏蔽效能提高至創紀錄的111.5 dB，SSE/d值高達13433 dB·cm2/g。研究人員使用有限元分析進一步揭示了電磁屏蔽機理，并通過實際天線輻射中的近場屏蔽直觀地展示了EPM/AgNW復合材料的應用。這種復合材料具有重量輕、彈性大、機械強度高、電磁干擾屏蔽性能好等特點，在現代電子領域具有廣闊的應用前景。該研究成果以“Lightweight and Highly Compressible Expandable Polymer Microsphere/Silver Nanowire Composites for Wideband Electromagnetic Interference Shielding”發表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。深圳先進電子材料國際創新研究院電磁屏蔽材料研究中心在讀碩士研究生韋劍鴻為該論文的第一作者，孫蓉研究員、電磁屏蔽材料研究中心胡友根副研究員為該論文的共同通訊作者。

圖7. 用于寬頻電磁干擾屏蔽的輕質高壓縮可膨脹聚合物微球/銀納米線復合材料

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c20593

4 熱電材料

1、Energy Environ.  Sci.：熱電材料中的載流子晶界散射

在過去十年中，通過引入低頻聲子的強晶界散射，塊體納米結構已成為優化熱電性能的主要策略之一。然而，最近人們發現，在一些納米結構塊體材料中，電荷載流子輸運會被顯著抑制，導致熱電性能下降?？梢?，了解晶界對載流子輸運的相互作用機制以及消除其負面影響變得至關重要。

近日，浙江大學的研究人員發表綜述文章，探討了當晶界散射起作用時，用來描述載流子輸運性質的俘獲態和兩相模型，闡述了晶粒尺寸、載流子濃度和介電常數三個關鍵因素對晶界散射強度的影響，并指出了提高熱電性能的策略。此外，還提供了對載流子晶界散射和電離雜質散射的深刻理解，并建議使用“電荷屏蔽比（charge shielding ratio）”（德拜屏蔽長度與有效玻爾半徑之比）作為區分這兩種散射機制的指標。最后，文章展望了當前在熱電材料的晶界表征、理解和工程方面存在的挑戰和機遇。該綜述文章以“Carrier Grain Boundary Scattering in Thermoelectric Materials”為題發表于Energy Environ. Sci.上。

圖8. n型材料晶界附近區域能帶示意圖

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https://doi.org/10.1039/D1EE03802H

5 電子封裝材料

1、Polymer：用于超薄芯片封裝臨時鍵合/解鍵合的具有增強熱穩定性和紫外吸收的有機可溶性熱塑性聚酰亞胺

熱塑性聚酰亞胺（thermoplastic polyimide，TPI）以其優良的加工性能、機械性能和介電性能在電子工業中得到廣泛應用。然而，對于超薄芯片封裝中的臨時鍵合和解鍵合（temporary bonding and debonding，TBDB）應用而言，TPI仍然受到熱穩定性有限和紫外吸收不足的限制。

最近，深圳先進電子材料國際創新研究院的研究人員及其合作者通過引入剛性聯苯基、扭曲非共面結構、剛性大塊側基和柔性醚鍵，制備了一系列綜合性能優異的新型四元共聚TPI。結果表明，所制備的TPI在NMP、DMF、DMAc和DMSO中具有良好的溶解性和熱塑性。這種材料的5%失重溫度和玻璃化轉變溫度分別達到548.1℃和335.4℃，TPI-4的拉伸強度為128.7 MPa，斷裂伸長率約為14.2%。TPI-4在硅晶圓上也表現出優異的附著力（百格測試，粘結強度>5B）以及在355 nm紫外激光（99.7%）下的極好吸收。此外，研究人員還證實在400 mJ/cm2激光能量下，60秒內可實現解鍵合，效率高且成本低，這使其有望應用于5G時代超薄芯片封裝的TBDB等領域。相關研究工作以“Organosoluble thermoplastic polyimide with improved thermal stability and UV absorption for temporary bonding and debonding in ultra-thin chip package”發表于Polymer上。深圳先進電子材料國際創新研究院晶圓級封裝材料研究中心在讀碩士研究生劉金山為該論文的第一作者，張國平研究員、李金輝副研究員為共同通訊作者。

圖9. 用于超薄芯片封裝臨時鍵合/解鍵合的具有增強熱穩定性和紫外吸收的有機可溶性熱塑性聚酰亞胺

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ttps://doi.org/10.1016/j.polymer.2022.124660

2、Composites Part B：超支化含P/N/B低聚物作為環氧樹脂的多功能阻燃劑 

阻燃環氧樹脂（EPs）具有優異的光學、機械和介電性能，在高科技領域擁有廣泛的應用前景。

最近，浙江大學的研究人員及其合作者合成了一種用于EPs的多功能超支化添加劑（BDHDP）。結果表明，BDHDP由于其叔胺和羥基，可對環氧樹脂的固化進行催化。在較低的添加量（<3.0 wt%）下，BDHDP提高了環氧熱固性樹脂的玻璃化轉變溫度，并保持了其光學透過率。同時，由于磷菲基團（phosphaphenanthrene groups）的剛性和分子內空穴，BDHDP提高了EP的機械強度和韌性，降低了EP的介電常數和損耗。此外，BDHDP減少了EP燃燒過程中的熱量釋放和煙霧產生。添加1.5 wt%的BDHDP可達到UL-94 V-0等級，并將總煙霧產生量減少16.4%。本研究提供了一種有效的方法，可通過引入含P/N/B的超支化低聚物制備得到具有優異機械、介電和阻燃性能的透明EP熱固性樹脂材料。相關研究內容以“A hyperbranched P/N/B-containing oligomer as multifunctional flame retardant for epoxy resins”發表于Composites Part B上。

圖10.超支化含P/N/B低聚物作為環氧樹脂的多功能阻燃劑

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https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.109701

圖文 | 戰略研究辦

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