1 电介质材料

1、Adv. Mater. ：具有超高储能性能的无铅铁电/顺电多层薄膜中可调谐极性拓扑的相场模拟

介质电容器是一种新兴的储能元件，需要高储能密度和高效率。传统的储能增强方法是借助化学改性的极性纳米畴工程。

最近，清华大学的研究人员通过利用最近在铁电/顺电多层薄膜中观察到的可调谐极性拓扑，提出了一种新的畴工程方法。使用相场模拟，发现通过调整应变状态和层厚，可使BiFeO3/SrTiO3（BFO/STO）多层薄膜中的涡旋、螺旋和面内极性结构稳定。在这些极性拓扑中实现了各种转换动力学，分别导致弛豫铁电、反铁电和类顺电极化行为。在STO/BFO/STO三层结构中，实现了超过170 J cm-3的超高储能密度和超过95%的效率。该策略可普遍用于制备其他多层电介质材料，并通过调控极性拓扑和极化特性提供一种增强储能性能的新途径。相关研究工作以“Phase-Field Simulations of Tunable Polar Topologies in Lead-Free Ferroelectric/Paraelectric Multilayers with Ultrahigh Energy-Storage Performance”发表于Adv. Mater.上。

图1. 三层结构的储能性能

论文链接：

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

2、ACS  Appl.  Mater. Interfaces：提高铌酸钠基反铁电陶瓷综合储能性能的组合优化策略

铌酸钠（NaNbO3，NN）基无铅反铁电（antiferroelectric，AFE）陶瓷因其优异的储能密度而受到关注。然而，纯NN陶瓷中独特的场致反铁电-铁电相变和低击穿电场（Eb）所产生的高损耗能量密度（Wloss）在很大程度上限制了它们的实际应用。

最近，济南大学和齐鲁工业大学（山东省科学院）的研究人员提出一种组合优化策略，以改善NN基陶瓷的储能特性。首先，在纯NN陶瓷中引入BiFeO3-SrTiO3二元固溶体破坏长程极性有序，降低了容忍因子（t），从而降低极化滞后，稳定AFE相，以及提高储能效率。接着采用两步烧结法提高陶瓷的致密性，减小晶粒尺寸。然后，使用VPP方法降低孔隙率，并将陶瓷厚度减薄至约100 μm——高致密性和小厚度可以有效提高陶瓷的最大击穿电场。最终，通过改进组合优化策略获得了最佳的储能特性，在极高的击穿电场（Eb=380 kV/cm）下，实现了优异的可恢复储能密度（Wrec=5.29 J/cm3）和效率（η=82.1%）。这种组合优化策略为改善NN基反铁电储能陶瓷的储能特性提供了一种通用方法。相关研究工作以“A Combined Optimization Strategy for Improvement of Comprehensive Energy Storage Performance in Sodium Niobate-Based Antiferroelectric Ceramics”发表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

图2. 提高铌酸钠基反铁电陶瓷综合储能性能的组合优化策略

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

3、J. Mater.  Chem. C：利用数据科学工具研究掺杂化学对钛酸钡铁电体储能性能的影响

化学改性是提高铁电材料储能性能最常用的方法。然而，由于多种元素可用作掺杂剂，这种策略产生了相当复杂的成分配方，这不利于使用传统方法（包括基于实验和理论的计算）来揭示掺杂剂对能量密度的影响。

近期，西北工业大学的研究人员及其合作者使用数据科学工具，特别是机器学习，揭示了掺杂化学对能量密度的影响。为了使分析在统计学上有意义，研究人员将注意力集中在交叉区域（crossover region），在该区域，由于奇异铁电畴结构，成分具有最佳的能量密度。将拥有70万种成分的交叉区域使用一个分类模型加以区分（该模型可将铁电体与弛豫体分离），通过回归模型预测每个成分的能量密度，并全面考察各个成分中掺杂剂的分布。结果表明，编码在Ca和Sn中的交互或耦合作用对能量密度有利，与两种可解释机器学习算法的分析结果一致。该工作可为复杂材料体系中掺杂化学对靶向性质的研究提供帮助。这项研究工作以“Disentangling the effect of doping chemistry on the energy storage properties of barium titanate ferroelectrics using data science tools”发表于J. Mater. Chem. C上。

图3. 用可解释的ML模型研究掺杂元素对能量密度的影响

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https://doi.org/10.1039/D1TC05896G

2 热管理材料

1、Composites Part  A：调节共价键合氮化硼/石墨烯和三维网络以实现聚合物基热界面材料的高导热性

热界面材料（TIM）具有良好的综合性能，如高热导率、良好的电绝缘性和机械性能，在解决先进电子器件的界面传递问题方面引起了人们极大的兴趣。

最近，中北大学、美国佐治亚理工学院和南京航空航天大学的研究人员通过化学表面改性技术和不同官能团之间的化学反应，开发了一种共价键合交联氮化硼（BN）和还原氧化石墨烯（rGO）的新方法。研究人员采用冰模板法制备了BN-rGO填料与天然橡胶（natural rubber，NR）基体的三维网络，硫化后的BN-rGO/NR TIMs表现出良好的综合性能，其跨平面热导率最高可达1.04 W m−1K−1，并具有对热流的灵敏响应能力。这种方法为设计综合性能优异的TIM提供了指导，在电子器件的热管理中具有广阔的应用前景。相关研究内容以“Modulation of covalent bonded boron nitride/graphene and three-dimensional networks to achieve highly thermal conductivity for polymer-based thermal interfacial materials”发表于Composites Part A上。

图4. BN-rGO/NR TIMs的热导率及传热示意图

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

3 电磁屏蔽材料

1、Mater . Today Phys. ：轻质柔性MXene修饰涤纶织物的近场和远场EMI屏蔽响应

小型化电子器件的广泛应用对电磁防护提出了新的要求，这使得电磁干扰（EMI）屏蔽材料受到广泛关注。然而，大多数研究集中在材料的远场EMI屏蔽上。

近日，深圳先进电子材料国际创新研究院的研究人员及其合作者提出了一种简便的浸涂策略，可实现MXene/WPU涂覆无纺布(MW@NWF)优异的近场和远场EMI屏蔽性能。这种MW@NWF材料具有柔韧性强、防水性能好的特点。当MXene含量约为11 wt%时，其EMI屏蔽效能（SE）高达55 dB，近场屏蔽效能在1-9 GHz的频率范围内可达-50 dB。此外，这种材料在500次弯曲-释放循环后表现出长期结构和性能可靠性。这项研究提供了一种简便有效的方法来实现轻质、柔性且具有高性能近场和远场EMI屏蔽特性的屏蔽材料。研究内容以“Near-field and far-field EMI shielding response of lightweight and flexible MXene-decorated polyester textiles”发表于Mater. Today Phys.上。深圳先进电子材料国际创新研究院芯片级封装材料研究中心在读博士研究生王晓允为该论文的第一作者，电磁屏蔽材料研究中心万艳君副研究员和芯片级封装材料研究中心朱朋莉研究员为该论文的共同通讯作者。

图5. MW@NWF材料的近场屏蔽性能

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

2、Composites Science and Technology：聚合物基复合材料电磁干扰屏蔽效能的普适行为

关于电磁屏蔽材料的屏蔽效能与电导率等参数之间的关系的理论研究已有报道，然而，在大多数情况下，这种相关性遵循的经验关系并不适用于所有复合材料。

最近，法国国家科学研究中心的研究人员及其合作者使用不同种类的填料（多壁碳纳米管、炭黑、镀银玻璃微纤维）制备了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基复合材料，并在较宽的频率范围内研究了其电磁干扰屏蔽性能和电学性能。通过结合理论分析和实验分析，发现无论导电材料（碳基或金属）的性质如何，电磁屏蔽效能、电导率和样品厚度之间的关系都遵循着一种普适行为，所有实验点都落在理论分析预测的一条普适曲线上。这不仅适用于研究团队自己的实验结果，也适用于科学文献中报道的关于其他类型聚合物基体和其他类型填料的大量实验数据。这项发现打开了基于复合材料电学性能精准预测其电磁干扰屏蔽效能的大门。该研究工作以“Universal behavior for electromagnetic interference shielding effectiveness of polymer based composite materials”发表于Composites Science and Technology上。

图6. 聚合物基复合材料电磁干扰屏蔽效能的普适行为

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

3、ACS Appl. Mater. Interfaces：用于宽频电磁干扰屏蔽的轻质高压缩可膨胀聚合物微球/银纳米线复合材料

在消除电磁污染方面，探索具有优异屏蔽效能的轻质可压缩电磁干扰（EMI）屏蔽材料仍然是一个巨大的挑战。

最近，深圳先进电子材料国际创新研究院的研究人员通过简单的热膨胀工艺，在封闭空间中制备得到一种具有微米级闭孔和界面银纳米线导电网络的轻质高压缩可膨胀聚合物微球/银纳米线（EPM/AgNW）复合材料。当AgNW含量为0.127 vol%时，这种EPM/AgNW复合材料表现出低密度（0.061 g/cm3）、高压缩性和高抗压强度（92.6%压缩应变下为4.25 MPa），在8–40 GHz的宽频范围内表现出高屏蔽效能（超过40 dB，1 mm）。通过将AgNW含量增加至0.340 vol%，可将其屏蔽效能提高至创纪录的111.5 dB，SSE/d值高达13433 dB·cm2/g。研究人员使用有限元分析进一步揭示了电磁屏蔽机理，并通过实际天线辐射中的近场屏蔽直观地展示了EPM/AgNW复合材料的应用。这种复合材料具有重量轻、弹性大、机械强度高、电磁干扰屏蔽性能好等特点，在现代电子领域具有广阔的应用前景。该研究成果以“Lightweight and Highly Compressible Expandable Polymer Microsphere/Silver Nanowire Composites for Wideband Electromagnetic Interference Shielding”发表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。深圳先进电子材料国际创新研究院电磁屏蔽材料研究中心在读硕士研究生韦剑鸿为该论文的第一作者，孙蓉研究员、电磁屏蔽材料研究中心胡友根副研究员为该论文的共同通讯作者。

图7. 用于宽频电磁干扰屏蔽的轻质高压缩可膨胀聚合物微球/银纳米线复合材料

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

4 热电材料

1、Energy Environ.  Sci.：热电材料中的载流子晶界散射

在过去十年中，通过引入低频声子的强晶界散射，块体纳米结构已成为优化热电性能的主要策略之一。然而，最近人们发现，在一些纳米结构块体材料中，电荷载流子输运会被显著抑制，导致热电性能下降。可见，了解晶界对载流子输运的相互作用机制以及消除其负面影响变得至关重要。

近日，浙江大学的研究人员发表综述文章，探讨了当晶界散射起作用时，用来描述载流子输运性质的俘获态和两相模型，阐述了晶粒尺寸、载流子浓度和介电常数三个关键因素对晶界散射强度的影响，并指出了提高热电性能的策略。此外，还提供了对载流子晶界散射和电离杂质散射的深刻理解，并建议使用“电荷屏蔽比（charge shielding ratio）”（德拜屏蔽长度与有效玻尔半径之比）作为区分这两种散射机制的指标。最后，文章展望了当前在热电材料的晶界表征、理解和工程方面存在的挑战和机遇。该综述文章以“Carrier Grain Boundary Scattering in Thermoelectric Materials”为题发表于Energy Environ. Sci.上。

图8. n型材料晶界附近区域能带示意图

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https://doi.org/10.1039/D1EE03802H

5 电子封装材料

1、Polymer：用于超薄芯片封装临时键合/解键合的具有增强热稳定性和紫外吸收的有机可溶性热塑性聚酰亚胺

热塑性聚酰亚胺（thermoplastic polyimide，TPI）以其优良的加工性能、机械性能和介电性能在电子工业中得到广泛应用。然而，对于超薄芯片封装中的临时键合和解键合（temporary bonding and debonding，TBDB）应用而言，TPI仍然受到热稳定性有限和紫外吸收不足的限制。

最近，深圳先进电子材料国际创新研究院的研究人员及其合作者通过引入刚性联苯基、扭曲非共面结构、刚性大块侧基和柔性醚键，制备了一系列综合性能优异的新型四元共聚TPI。结果表明，所制备的TPI在NMP、DMF、DMAc和DMSO中具有良好的溶解性和热塑性。这种材料的5%失重温度和玻璃化转变温度分别达到548.1℃和335.4℃，TPI-4的拉伸强度为128.7 MPa，断裂伸长率约为14.2%。TPI-4在硅晶圆上也表现出优异的附着力（百格测试，粘结强度>5B）以及在355 nm紫外激光（99.7%）下的极好吸收。此外，研究人员还证实在400 mJ/cm2激光能量下，60秒内可实现解键合，效率高且成本低，这使其有望应用于5G时代超薄芯片封装的TBDB等领域。相关研究工作以“Organosoluble thermoplastic polyimide with improved thermal stability and UV absorption for temporary bonding and debonding in ultra-thin chip package”发表于Polymer上。深圳先进电子材料国际创新研究院晶圆级封装材料研究中心在读硕士研究生刘金山为该论文的第一作者，张国平研究员、李金辉副研究员为共同通讯作者。

图9. 用于超薄芯片封装临时键合/解键合的具有增强热稳定性和紫外吸收的有机可溶性热塑性聚酰亚胺

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

2、Composites Part B：超支化含P/N/B低聚物作为环氧树脂的多功能阻燃剂 

阻燃环氧树脂（EPs）具有优异的光学、机械和介电性能，在高科技领域拥有广泛的应用前景。

最近，浙江大学的研究人员及其合作者合成了一种用于EPs的多功能超支化添加剂（BDHDP）。结果表明，BDHDP由于其叔胺和羟基，可对环氧树脂的固化进行催化。在较低的添加量（<3.0 wt%）下，BDHDP提高了环氧热固性树脂的玻璃化转变温度，并保持了其光学透过率。同时，由于磷菲基团（phosphaphenanthrene groups）的刚性和分子内空穴，BDHDP提高了EP的机械强度和韧性，降低了EP的介电常数和损耗。此外，BDHDP减少了EP燃烧过程中的热量释放和烟雾产生。添加1.5 wt%的BDHDP可达到UL-94 V-0等级，并将总烟雾产生量减少16.4%。本研究提供了一种有效的方法，可通过引入含P/N/B的超支化低聚物制备得到具有优异机械、介电和阻燃性能的透明EP热固性树脂材料。相关研究内容以“A hyperbranched P/N/B-containing oligomer as multifunctional flame retardant for epoxy resins”发表于Composites Part B上。

图10.超支化含P/N/B低聚物作为环氧树脂的多功能阻燃剂

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

图文 | 战略研究办

编辑 | 宣传办