1 电介质材料

1、Nano Energy ：通过构建载流子阻挡界面显著提高三明治结构聚合物电介质的高温放电效率

高功率密度电介质材料在电能存储方面具有不可替代的优势。然而，传统的聚合物电介质材料无法满足恶劣环境下不断增长的功率需求。

最近，南方科技大学的研究人员报道了一种由聚酰亚胺（PI）和聚醚酰亚胺（PEI）组成的全聚合物三明治薄膜高温电介质材料。由于PEIs溶液在PI表面的溶胀效应，它在三明治薄膜中的PEIs层和PI层之间建立了一个清晰完整的界面，其具有梯度变化的分子堆积结构，导致深陷阱密度增加，并在界面处积聚空间电荷。实验发现，高温下的高场电导可以得到有效抑制。即使在200℃的条件下，这种三明治薄膜也表现出优异的综合电容性能，在300 MV m-1下的放电能量密度达到2.0 J cm-3，充放电效率达到92%。这项工作通过构建界面载流子阻挡层为高温应用的高能量密度全聚合物电介质开辟了一条新途径。相关研究工作以“Significantly enhancing the discharge efficiency of sandwich-structured polymer dielectrics at elevated temperature by building carrier blocking interface”发表于Nano Energy上。。

图1. 通过构建载流子阻挡界面显著提高三明治结构聚合物电介质的高温放电效率

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107215

2、Adv.  Mater . ：具有优异储能性能的非公度反铁电陶瓷的可调畴转换特性

非公度调制反铁电相是下一代储能介电陶瓷理想候选材料的关键组成部分。然而，由于其相对较低的极化响应，相关研究较少。

最近，同济大学的研究人员通过稳定反铁电相来调制非公度相（incommensurate phase），并研究了非公度相在超高电场下的储能性能。研究表明，La3+掺杂诱导了室温非公度反铁电正交基体，在Cd2+含量较低的情况下，获得了优异的储能性能，可恢复储能密度达到≈19.3 J cm-3，储能效率高达91%（870 kV cm-1），在实际工作状态下也可获得15.4 J cm-3的巨大放电能量密度。原位观察表明，优越的储能性能来源于从非公度反铁电正交相到诱导的菱形弛豫铁电相的相变，可调的非公度周期影响去极化响应。研究揭示的相变机制丰富了现有的反铁电-铁电相变，为下一代高性能反铁电材料的选型和制备提供了参考。该研究论文以“Tunable Domain Switching Features of Incommensurate Antiferroelectric Ceramics Realizing Excellent Energy Storage Properties”发表于Adv. Mater.上。

图2.公度反铁电相和非公度反铁电相的示意图

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202201333

3、Nano Energy：通过调整微/介观界面的能级结构提高聚合物纳米复合材料的高温电容性能

界面在电介质材料的电导和击穿行为中起着重要作用。增强纳米复合材料的界面相容性和肖特基势垒以降低电导损耗和提高击穿强度已被广泛研究。然而，关于填料/聚合物和电极/电介质界面区的能级结构对击穿强度和高温储能性能的影响的报道很少。

最近，西安交通大学、南方科技大学和美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员报道了一种由Al2O3层组成的三明治结构聚酰亚胺（PI）薄膜，其填充有SiO2壳层包覆的高K BaTiO3纳米纤维。研究表明，宽禁带氧化层可以调节界面区的能级结构，在纳米复合材料中引入深陷阱，并增加电极/电介质界面的肖特基势垒，从而阻止电荷注入和传输。此外，纳米复合材料结合了Al2O3层、SiO2壳和BaTiO3核的各向异性介电性能的优点，提高了介电常数。优化后的纳米复合材料在150℃下的放电能量密度和击穿强度显著提高，分别比PI高370%和38%。这项工作对聚合物纳米复合材料的导电和击穿机理有了更深入的了解，并为开发高温下具有优异电容性能的聚合物纳米复合材料提供了有效策略。相关研究内容以“Enhancing high-temperature capacitor performance of polymer nanocomposites by adjusting the energy level structure in the micro-/meso-scopic interface region”发表于Nano Energy上。

图3. 通过调整微/介观界面的能级结构提高聚合物纳米复合材料的高温电容性能

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107314

2 热管理材料

1、Nano Lett . ：热导率和界面热导的高通量纳米成像

材料的热性能通常通过测量热化过程来确定，然而，在纳米尺度上进行这种测量具有挑战性，因为它们需要高灵敏度和高的时间、空间分辨率。

近日，美国国家标准与技术研究院的研究人员开发了一种光机械悬臂探针，并定制了一种在宽（>100 MHz）带宽上具有低探测噪声（≈1 fm/Hz1/2）的原子力显微镜，可在≈10 ns时间分辨率、≈35 nm空间分辨率和高灵敏度下实现对热化动力学的测量。该装置可实现热导率（η）和界面热导（G）的快速纳米成像，并具有≈6000×的测量通量，比常规的宏观分辨率时域热反射更快。研究团队还展示了概念原型样机，可在200秒内获得聚合物颗粒η和G的100×100像素图，且相对不确定度较小（<10%）。这项工作为在纳米尺度上研究材料和器件的快速热动力学铺平了道路。该研究工作以“High Throughput Nanoimaging of Thermal Conductivity and Interfacial Thermal Conductance”发表于Nano Lett.上。

图4.热导率和界面热导的高通量纳米成像

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00337

3 电磁屏蔽材料

1、Adv . Funct . Mater . ：具有高效散热和优异电磁屏蔽双重功能的各向异性取向碳膜

下一代便携式电子设备的快速发展迫切需要具有高效散热和优异电磁干扰（EMI）屏蔽性能的双功能材料。

近期，哈尔滨工业大学的研究人员通过一种创新的葡萄糖水凝胶可控碳化方法，制备得到一种具有高导热性和优良EMI屏蔽性能的各向异性取向碳膜。纳米晶石墨的水平排列导致定向结构具有非常高的面内热导率（439.9 W m−1K−1），在智能手机上表现出比商业石墨产品更高效的散热能力。此外，由于定向结构产生的多重内部反射，480 nm超薄厚度下的薄膜在X波段表现出21.72 dB的EMI屏蔽效能（SE），绝对屏蔽效能（SSE/t）高达275883 dB cm2 g−1，显著优于大多数已报道的合成材料。这种薄膜还具有柔韧性、高机械强度和稳定性，展示出良好的应用前景。这项研究为制备双功能材料提供了一种简便可行的策略，以更经济、更环保的方式解决先进电子器件的散热和电磁干扰问题。相关研究成果以“Anisotropically Oriented Carbon Films with Dual-Function of Efficient Heat Dissipation and Excellent Electromagnetic Interference Shielding Performances”发表于Adv. Funct. Mater.上。

图5. 各向异性取向碳膜的电磁屏蔽性能

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202202057

2、Mater . Today Phys . ：具有可调电磁屏蔽性能的坚固阻燃层状环氧复合材料

室温环氧树脂（EP）具有高强度、优异的耐热性和快速固化性能，已被广泛用于定位、组装、维修、密封、灌封和其他应用场景。然而，由于缺乏合理的结构设计和精确的成分控制，这类材料很难满足5G通信、抵御恶劣环境等实际应用提出的迫切要求。

最近，中国科学技术大学的研究人员开发了一种具有很强可设计性的智能电磁干扰（EMI）屏蔽器件，该器件不仅表现出优异的屏蔽效能（SE），而且还可以根据Ti3C2Tx的含量对SE进行调节。研究人员还发现了一种很有前途的阻燃剂（多磷酸铵：APP），其在UL-94测试中达到V0等级，AEP-RFT1.2的LOI值高达40%，峰值放热率（pHRR）和总放热率（THR）分别减少了77.6%和51.3%。此外，AEP-RFT1.2的SE值在X波段超过30 dB，足以用于商业用途。这项工作提供了一种简便有效的策略来制备坚固、阻燃、超强机械强度和可调电磁屏蔽性能的室温固化环氧树脂层状复合材料。相关研究内容以“Robust Flame-retardant, Super Mechanical Laminate Epoxy Composites with Tunable Electromagnetic Interference Shielding”发表于Mater. Today Phys.上。

图6.具有可调电磁屏蔽性能的坚固阻燃层状环氧复合材料

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100724

4 热电材料

1、ACS Appl . Mater . Interfaces ：Bi2Te3/Sb2Te3核壳异质结纳米结构的热电性能研究

热电材料将热能转化为电能，具有很好的能源废物收集能力，是未来可持续能源利用的发展方向。

最近，加州大学戴维斯分校的研究人员通过两步溶液路线成功合成了核-壳Bi2Te3/Sb2Te3（BTST）纳米结构异质结。通过控制反应前驱体，可以合成具有不同Bi2Te3/Sb2Te3核壳比的样品。扫描电子显微镜图像显示了清晰的六角形纳米板以及Bi2Te3和Sb2Te3之间的明显界面，Sb2Te3壳层的生长主要发生在横向，而不是垂直方向；透射电子显微镜显示了合成的Bi2Te3核和Sb2Te3壳的结晶性质；能量色散X射线光谱证实了Bi2Te3核上Sb2Te3壳层的横向生长。研究人员在平面内和平面外两个不同方向上测量了其热电性能，显示出各向异性。所有样品均表现出简并半导体特性，电阻率随温度升高而增加。从Sb2Te3开始，电阻率随着Bi2Te3含量的增加而增加。由于界面增加和额外声子散射，热导率降低。研究表明，BTST 1-3样品（其中1-3表示BT与ST的比率）的面外方向在500 K时表现出145μV/K的高Seebeck值，这可能归因于异质结界面的能量过滤效应。在500 K时，BTST 1-3样品在平面外方向的总体zT值最高。zT值在测量的温度范围内持续增加，表明温度升高时可能有更高的值。该研究工作以“Study of the Thermoelectric Properties of Bi2Te3/Sb2Te3Core-Shell Heterojunction Nanostructures”发表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

图7. Bi2Te3/Sb2Te3核壳异质结纳米结构的热电性能

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c03011

5 电子封装材料

1、J . Appl . Polymer Sci.：用光固化3D打印技术增强环氧丙烯酸酯/h-BN和AlN复合材料的导热性

填充六方氮化硼（h-BN）是提高聚合物复合材料导热性能的研究热点。然而，h-BN难以分散和形成三维导热网络��成为需要解决的主要问题。

近日，南京工业大学的研究人员提出采用液体树脂以有效帮助填料均匀分散，并通过3D打印技术构建多层连接网络，从而有效地提高聚合物的热导率。当h-BN含量为30 wt%时，环氧丙烯酸酯（epoxy acrylate，EA）复合材料的热导率达到1.60 Wm−1K−1，是纯环氧丙烯酸树脂的6.8倍。该工作为提高光固化聚合物的热导率提供了新的思路。相关研究以“Enhanced thermal conductivity of epoxy acrylate/h-BN and AlN composites by photo-curing 3D printing technology”发表于J. Appl. Polymer Sci.上。

图8. 样品的散热性能

论文链接：https://doi.org/10.1002/app.52629

2、Mater . Sci . Semicon . Proc.：环氧塑封料固化收缩对半导体封装翘曲行为的影响

在与封装技术相关的各种问题中，封装的翘曲是主要关注的问题之一。它会导致各种缺陷，例如在安装芯片时会导致安装缺陷，或者导致封装和PCB之间的焊点接触不良。由于这些问题可能导致产品可靠性降低，因此在电子设备的产品设计阶段准确预测翘曲至关重要。

最近，韩国汉阳大学等机构的研究人员利用光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）传感器，通过测量布拉格波长（Bragg wavelength，BW）位移，精确测量了半导体封装用环氧塑封料（epoxy molding compound，EMC）在成型过程中的固化收缩。同时，使用介电传感器监测EMC的固化过程，研究了EMC内部应变发展与其固化度之间的关系。研究团队还通过三点弯曲应力松弛试验测量了EMC的粘弹性特性，采用数字图像相关（digital image correlation，DIC）方法测量了EMC-Al双层带材的翘曲变形，并与有限元分析结果进行了对比。结果表明，在预测半导体翘曲行为时，应将EMC的固化收缩视为一个重要因素。这项研究工作以“Effect of cure shrinkage of epoxy molding compound on warpage behavior of semiconductor package”发表于Mater. Sci. Semicon. Proc.上。

图9. 翘曲模拟示意图

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mssp.2022.106758

图文 | 战略研究办公室

编辑 | 宣传办