1 電介質材料

1、Nano Energy ：通過構建載流子阻擋界面顯著提高三明治結構聚合物電介質的高溫放電效率

高功率密度電介質材料在電能存儲方面具有不可替代的優勢。然而，傳統的聚合物電介質材料無法滿足惡劣環境下不斷增長的功率需求。

最近，南方科技大學的研究人員報道了一種由聚酰亞胺（PI）和聚醚酰亞胺（PEI）組成的全聚合物三明治薄膜高溫電介質材料。由于PEIs溶液在PI表面的溶脹效應，它在三明治薄膜中的PEIs層和PI層之間建立了一個清晰完整的界面，其具有梯度變化的分子堆積結構，導致深陷阱密度增加，并在界面處積聚空間電荷。實驗發現，高溫下的高場電導可以得到有效抑制。即使在200℃的條件下，這種三明治薄膜也表現出優異的綜合電容性能，在300 MV m-1下的放電能量密度達到2.0 J cm-3，充放電效率達到92%。這項工作通過構建界面載流子阻擋層為高溫應用的高能量密度全聚合物電介質開辟了一條新途徑。相關研究工作以“Significantly enhancing the discharge efficiency of sandwich-structured polymer dielectrics at elevated temperature by building carrier blocking interface”發表于Nano Energy上。。

圖1. 通過構建載流子阻擋界面顯著提高三明治結構聚合物電介質的高溫放電效率

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107215

2、Adv.  Mater . ：具有優異儲能性能的非公度反鐵電陶瓷的可調疇轉換特性

非公度調制反鐵電相是下一代儲能介電陶瓷理想候選材料的關鍵組成部分。然而，由于其相對較低的極化響應，相關研究較少。

最近，同濟大學的研究人員通過穩定反鐵電相來調制非公度相（incommensurate phase），并研究了非公度相在超高電場下的儲能性能。研究表明，La3+摻雜誘導了室溫非公度反鐵電正交基體，在Cd2+含量較低的情況下，獲得了優異的儲能性能，可恢復儲能密度達到≈19.3 J cm-3，儲能效率高達91%（870 kV cm-1），在實際工作狀態下也可獲得15.4 J cm-3的巨大放電能量密度。原位觀察表明，優越的儲能性能來源于從非公度反鐵電正交相到誘導的菱形弛豫鐵電相的相變，可調的非公度周期影響去極化響應。研究揭示的相變機制豐富了現有的反鐵電-鐵電相變，為下一代高性能反鐵電材料的選型和制備提供了參考。該研究論文以“Tunable Domain Switching Features of Incommensurate Antiferroelectric Ceramics Realizing Excellent Energy Storage Properties”發表于Adv. Mater.上。

圖2.公度反鐵電相和非公度反鐵電相的示意圖

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202201333

3、Nano Energy：通過調整微/介觀界面的能級結構提高聚合物納米復合材料的高溫電容性能

界面在電介質材料的電導和擊穿行為中起著重要作用。增強納米復合材料的界面相容性和肖特基勢壘以降低電導損耗和提高擊穿強度已被廣泛研究。然而，關于填料/聚合物和電極/電介質界面區的能級結構對擊穿強度和高溫儲能性能的影響的報道很少。

最近，西安交通大學、南方科技大學和美國賓夕法尼亞州立大學的研究人員報道了一種由Al2O3層組成的三明治結構聚酰亞胺（PI）薄膜，其填充有SiO2殼層包覆的高K BaTiO3納米纖維。研究表明，寬禁帶氧化層可以調節界面區的能級結構，在納米復合材料中引入深陷阱，并增加電極/電介質界面的肖特基勢壘，從而阻止電荷注入和傳輸。此外，納米復合材料結合了Al2O3層、SiO2殼和BaTiO3核的各向異性介電性能的優點，提高了介電常數。優化后的納米復合材料在150℃下的放電能量密度和擊穿強度顯著提高，分別比PI高370%和38%。這項工作對聚合物納米復合材料的導電和擊穿機理有了更深入的了解，并為開發高溫下具有優異電容性能的聚合物納米復合材料提供了有效策略。相關研究內容以“Enhancing high-temperature capacitor performance of polymer nanocomposites by adjusting the energy level structure in the micro-/meso-scopic interface region”發表于Nano Energy上。

圖3. 通過調整微/介觀界面的能級結構提高聚合物納米復合材料的高溫電容性能

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107314

2 熱管理材料

1、Nano Lett . ：熱導率和界面熱導的高通量納米成像

材料的熱性能通常通過測量熱化過程來確定，然而，在納米尺度上進行這種測量具有挑戰性，因為它們需要高靈敏度和高的時間、空間分辨率。

近日，美國國家標準與技術研究院的研究人員開發了一種光機械懸臂探針，并定制了一種在寬（>100 MHz）帶寬上具有低探測噪聲（≈1 fm/Hz1/2）的原子力顯微鏡，可在≈10 ns時間分辨率、≈35 nm空間分辨率和高靈敏度下實現對熱化動力學的測量。該裝置可實現熱導率（η）和界面熱導（G）的快速納米成像，并具有≈6000×的測量通量，比常規的宏觀分辨率時域熱反射更快。研究團隊還展示了概念原型樣機，可在200秒內獲得聚合物顆粒η和G的100×100像素圖，且相對不確定度較小（<10%）。這項工作為在納米尺度上研究材料和器件的快速熱動力學鋪平了道路。該研究工作以“High Throughput Nanoimaging of Thermal Conductivity and Interfacial Thermal Conductance”發表于Nano Lett.上。

圖4.熱導率和界面熱導的高通量納米成像

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00337

3 電磁屏蔽材料

1、Adv . Funct . Mater . ：具有高效散熱和優異電磁屏蔽雙重功能的各向異性取向碳膜

下一代便攜式電子設備的快速發展迫切需要具有高效散熱和優異電磁干擾（EMI）屏蔽性能的雙功能材料。

近期，哈爾濱工業大學的研究人員通過一種創新的葡萄糖水凝膠可控碳化方法，制備得到一種具有高導熱性和優良EMI屏蔽性能的各向異性取向碳膜。納米晶石墨的水平排列導致定向結構具有非常高的面內熱導率（439.9 W m?1K?1），在智能手機上表現出比商業石墨產品更高效的散熱能力。此外，由于定向結構產生的多重內部反射，480 nm超薄厚度下的薄膜在X波段表現出21.72 dB的EMI屏蔽效能（SE），絕對屏蔽效能（SSE/t）高達275883 dB cm2 g?1，顯著優于大多數已報道的合成材料。這種薄膜還具有柔韌性、高機械強度和穩定性，展示出良好的應用前景。這項研究為制備雙功能材料提供了一種簡便可行的策略，以更經濟、更環保的方式解決先進電子器件的散熱和電磁干擾問題。相關研究成果以“Anisotropically Oriented Carbon Films with Dual-Function of Efficient Heat Dissipation and Excellent Electromagnetic Interference Shielding Performances”發表于Adv. Funct. Mater.上。

圖5. 各向異性取向碳膜的電磁屏蔽性能

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202202057

2、Mater . Today Phys . ：具有可調電磁屏蔽性能的堅固阻燃層狀環氧復合材料

室溫環氧樹脂（EP）具有高強度、優異的耐熱性和快速固化性能，已被廣泛用于定位、組裝、維修、密封、灌封和其他應用場景。然而，由于缺乏合理的結構設計和精確的成分控制，這類材料很難滿足5G通信、抵御惡劣環境等實際應用提出的迫切要求。

最近，中國科學技術大學的研究人員開發了一種具有很強可設計性的智能電磁干擾（EMI）屏蔽器件，該器件不僅表現出優異的屏蔽效能（SE），而且還可以根據Ti3C2Tx的含量對SE進行調節。研究人員還發現了一種很有前途的阻燃劑（多磷酸銨：APP），其在UL-94測試中達到V0等級，AEP-RFT1.2的LOI值高達40%，峰值放熱率（pHRR）和總放熱率（THR）分別減少了77.6%和51.3%。此外，AEP-RFT1.2的SE值在X波段超過30 dB，足以用于商業用途。這項工作提供了一種簡便有效的策略來制備堅固、阻燃、超強機械強度和可調電磁屏蔽性能的室溫固化環氧樹脂層狀復合材料。相關研究內容以“Robust Flame-retardant, Super Mechanical Laminate Epoxy Composites with Tunable Electromagnetic Interference Shielding”發表于Mater. Today Phys.上。

圖6.具有可調電磁屏蔽性能的堅固阻燃層狀環氧復合材料

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100724

4 熱電材料

1、ACS Appl . Mater . Interfaces ：Bi2Te3/Sb2Te3核殼異質結納米結構的熱電性能研究

熱電材料將熱能轉化為電能，具有很好的能源廢物收集能力，是未來可持續能源利用的發展方向。

最近，加州大學戴維斯分校的研究人員通過兩步溶液路線成功合成了核-殼Bi2Te3/Sb2Te3（BTST）納米結構異質結。通過控制反應前驅體，可以合成具有不同Bi2Te3/Sb2Te3核殼比的樣品。掃描電子顯微鏡圖像顯示了清晰的六角形納米板以及Bi2Te3和Sb2Te3之間的明顯界面，Sb2Te3殼層的生長主要發生在橫向，而不是垂直方向；透射電子顯微鏡顯示了合成的Bi2Te3核和Sb2Te3殼的結晶性質；能量色散X射線光譜證實了Bi2Te3核上Sb2Te3殼層的橫向生長。研究人員在平面內和平面外兩個不同方向上測量了其熱電性能，顯示出各向異性。所有樣品均表現出簡并半導體特性，電阻率隨溫度升高而增加。從Sb2Te3開始，電阻率隨著Bi2Te3含量的增加而增加。由于界面增加和額外聲子散射，熱導率降低。研究表明，BTST 1-3樣品（其中1-3表示BT與ST的比率）的面外方向在500 K時表現出145μV/K的高Seebeck值，這可能歸因于異質結界面的能量過濾效應。在500 K時，BTST 1-3樣品在平面外方向的總體zT值最高。zT值在測量的溫度范圍內持續增加，表明溫度升高時可能有更高的值。該研究工作以“Study of the Thermoelectric Properties of Bi2Te3/Sb2Te3Core-Shell Heterojunction Nanostructures”發表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

圖7. Bi2Te3/Sb2Te3核殼異質結納米結構的熱電性能

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c03011

5 電子封裝材料

1、J . Appl . Polymer Sci.：用光固化3D打印技術增強環氧丙烯酸酯/h-BN和AlN復合材料的導熱性

填充六方氮化硼（h-BN）是提高聚合物復合材料導熱性能的研究熱點。然而，h-BN難以分散和形成三維導熱網絡??成為需要解決的主要問題。

近日，南京工業大學的研究人員提出采用液體樹脂以有效幫助填料均勻分散，并通過3D打印技術構建多層連接網絡，從而有效地提高聚合物的熱導率。當h-BN含量為30 wt%時，環氧丙烯酸酯（epoxy acrylate，EA）復合材料的熱導率達到1.60 Wm?1K?1，是純環氧丙烯酸樹脂的6.8倍。該工作為提高光固化聚合物的熱導率提供了新的思路。相關研究以“Enhanced thermal conductivity of epoxy acrylate/h-BN and AlN composites by photo-curing 3D printing technology”發表于J. Appl. Polymer Sci.上。

圖8. 樣品的散熱性能

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/app.52629

2、Mater . Sci . Semicon . Proc.：環氧塑封料固化收縮對半導體封裝翹曲行為的影響

在與封裝技術相關的各種問題中，封裝的翹曲是主要關注的問題之一。它會導致各種缺陷，例如在安裝芯片時會導致安裝缺陷，或者導致封裝和PCB之間的焊點接觸不良。由于這些問題可能導致產品可靠性降低，因此在電子設備的產品設計階段準確預測翹曲至關重要。

最近，韓國漢陽大學等機構的研究人員利用光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating，FBG）傳感器，通過測量布拉格波長（Bragg wavelength，BW）位移，精確測量了半導體封裝用環氧塑封料（epoxy molding compound，EMC）在成型過程中的固化收縮。同時，使用介電傳感器監測EMC的固化過程，研究了EMC內部應變發展與其固化度之間的關系。研究團隊還通過三點彎曲應力松弛試驗測量了EMC的粘彈性特性，采用數字圖像相關（digital image correlation，DIC）方法測量了EMC-Al雙層帶材的翹曲變形，并與有限元分析結果進行了對比。結果表明，在預測半導體翹曲行為時，應將EMC的固化收縮視為一個重要因素。這項研究工作以“Effect of cure shrinkage of epoxy molding compound on warpage behavior of semiconductor package”發表于Mater. Sci. Semicon. Proc.上。

圖9. 翹曲模擬示意圖

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mssp.2022.106758

圖文 | 戰略研究辦公室

編輯 | 宣傳辦