电子材料院 | 科技前沿资讯-2021年第八期

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电介质材料


1、Energy Storage Materials:核壳结构纳米复合材料中粒子间极化和粒子内极化的解耦——介电性能改善

导电填料填充的聚合物复合材料在渗流阈值附近具有很高的介电常数,因此显示出巨大的潜力,但高介电损耗阻碍了其在实际中的广泛应用。近年来,人们致力于用绝缘外壳包裹导电填料,以限制介电损耗,但这种方法也大大降低了介电常数。这一困境引发了一个问题,即核壳结构填料是否最终有利于复合材料的介电性能,这方面的相关研究较少。
最近,西安科技大学的研究人员通过研究含有一系列不同外壳厚度的Al@Al2O3纳米填料,发现这种渗流型复合材料的高介电常数由快速的粒子内极化和缓慢的粒子间极化共同贡献。绝缘外壳的形成使两种极化能够独立控制,而这两种极化在常规的渗流型复合材料中发生耦合(一起增大或减小)。通过促进粒子内极化和抑制粒子间极化,核壳结构纳米复合材料可以同时获得高介电常数和低介电损耗,远远超过未改性的纳米填料复合材料。此外,热导率和高场电阻率也得到了改善,从而在服役期间实现稳定和低温。该研究工作为设计具有高介电常数、低介电损耗以及改善热机械性能的渗流型聚合物复合材料提供了新的范例。相关研究成果以“Decoupling of inter-particle polarization and intra-particle polarization in core-shell structured nanocomposites towards improved dielectric performance”发表于Energy Storage Materials上。

图1. 导电填料填充的聚合物复合材料中极化机制示意图


论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.07.014

2、npj Computational Materials:利用机器学习设计高能量密度聚合物纳米复合材料
 
研究聚合物纳米复合材料的微观结构与性能之间的关系对于设计先进的静电储能电介质材料至关重要。
最近,武汉理工大学的研究人员及其合作者开发了一个集成相场模型来模拟聚合物纳米复合材料的介电响应、电荷输运和击穿过程。基于6615个高通量计算结果,提出了一种机器学习策略来评价储能能力。研究发现,平行钙钛矿纳米片更倾向于阻断电荷,然后驱动电荷随x-y平面上的界面迁移,这可以显著改善聚合物纳米复合材料的击穿强度。为了验证这一预测,研究人员制备了P(VDF-HFP)/Ca2Nb3O10聚合物纳米复合材料,其最高放电能量密度跟原始聚合物相比几乎翻了一倍,达到35.9 J cm−3,这主要得益于增强的击穿强度853 MV m-1)。这项工作为二维钙钛矿纳米片在耐高压柔性电介质领域的应用奠定了基础。相关研究以“Designing polymer nanocomposites with high energy density using machine learning”发表于npj Computational Materials上。

图2. 从理论预测到目标实验的“模拟引导”材料开发范式


论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41524-021-00578-6

3、Adv. Mater. Interfaces:近零热膨胀Ba1−xSrxZn2Si2O7基微波介质陶瓷用于具有集成透镜的3D打印介质谐振器天线

航空航天等极端环境对高增益、低重量、宽带宽和小型化透镜天线的温度稳定性有着强烈的要求。然而,具有近零热膨胀和频移的高性能微波介质陶瓷非常少见。此外,3D打印工艺的要求也限制了其发展。
近日,华中科技大学的研究人员报道了一种0.95(0.9Zn1.8SiO3.8-0.1Ba0.4Sr0.6Zn2Si2O7)-0.05CaTiO3陶瓷,体系中具有负热膨胀系数(CTE)的Ba0.4Sr0.6Zn2Si2O7和具有正共振频率温度系数(τf)的CaTiO3可以有效地将Zn1.8SiO3.8的CTE和τf调节到接近零的值。采用立体光刻3D打印技术制作的Ku波段Luneburg集成透镜天线在10.45-11.39 GHz范围内的平均增益为8.06 dBi,在12.27-13.45 GHz范围内的平均增益为10.3 dBi,在卫星通信中展现出潜在的应用前景。相关研究工作以“Near-Zero Thermal Expansion Ba1-xSrxZn2Si2O7-Based Microwave Dielectric Ceramics for 3D Printed Dielectric Resonator Antenna with Integrative Lens”为题发表于Adv. Mater. Interfaces上。


图3. 介质谐振器天线的模拟电场分布和辐射分布


论文链接:

https://doi.org/10.1002/admi.202100584



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电磁屏蔽材料


1、ACS Appl. Mater. Interfaces:通过双导电相调节渗流阈值实现C和X波段的高效微波吸收

C和X波段高效吸波材料的研制仍然是一个挑战,这限制了相应的电磁污染和雷达隐身问题的解决。
近日,南京航空航天大学的研究人员使用一步溶剂热法成功制备了还原氧化石墨烯(RGO)/Cu/Fe3O4复合材料,其中GO的分散量为5毫升,Fe3O4C波段因自然共振而表现出高磁损耗,铜纳米棒和RGO作为双导体相,通过调节渗流阈值来产生合适的介电性能。结果表明,铜纳米棒的存在显著降低了复合材料的导电性和介电损耗,从而优化了C波段和X波段的衰减能力和阻抗匹配,使复合材料获得了优异的吸波性能。在3.1 mm的厚度下,其最大有效吸收带宽(effective absorption bandwidthEAB)为5.2 GHz,覆盖了84%的C波段和46%的X波段(4.64−9.84 GHz),性能优于相应波段的绝大多数吸波材料。相关研究工作以“Regulating Percolation Threshold via Dual Conductive Phases for High-Efficiency Microwave Absorption Performance in C and X Bands”发表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

图4. 通过双导电相调节渗流阈值实现C和X波段的高效微波吸收


论文链接:
https://doi.org/10.1021/acsami.1c10110

2、ACS Nano:用于太赫兹吸收和屏蔽的不依赖基底的Ti3C2Tx MXene水性涂料

随着太赫兹(THz)技术的发展,对避免电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)或污染的THz屏蔽/吸收材料的需求日益增长。可快速固化成薄膜并稳定地粘附在任意衬底上的涂料在屏蔽/吸收应用中引起了人们的兴趣。近年来,具有高导电性和亲水性的MXenes在电磁干扰屏蔽领域受到关注。
近日,电子科技大学的研究人员展示了一种基于共聚聚丙烯酸酯乳液(PAL)的MXene水性涂料(MWP),不仅具有很强的太赫兹电磁干扰屏蔽/吸收效率,还可以轻松地粘附到几种太赫兹频段常用的基板上。MWP的粘度可通过调整胶体和粘性力进行调节,PAL中的氰基在MWP和基板之间提供了强大的分子间极性相互作用。因此,石英上38.3 μm厚的MWP显示出64.9 dB的屏蔽效能,在涂覆了MWP的海绵泡沫上获得了32.8 dB的优异反射损耗。这种不依赖衬底的MWP提供了实现高性能太赫兹屏蔽/吸收的简单有效方法。相关工作以“Substrate-Independent Ti3C2Tx MXene Waterborne Paint for Terahertz Absorption and Shielding”发表于ACS Nano上。

图5. 用于太赫兹吸收和屏蔽的不依赖基底的Ti3C2Tx MXene水性涂料


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https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04656



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热管理材料


1、ACS Appl. Mater. Interfaces:具有显著热导率增强的银纳米粒子嵌入合成纳米纸

由纳米纤维化纤维素(nanofibrillated cellulose,NFC)制成的纳米纸因其重量轻、易于切割、成本低和可持续性等优点,是电子设备热管理应用的潜力材料。
最近,华南理工大学的研究人员报道了一种简便的制备策略来构建由双醛纳米纤维化纤维素(dialdehyde nanofibrillated cellulose,DANFC)和银纳米颗粒(AgNPs)组成的合成纳米纸,其表现出良好的导热性能。受醛基启发,通过银镜反应在DANFC表面原位引入AgNPs。由于合成纳米纸中的分子间氢键,DANFC能够使AgNPs均匀分散,并促进多级结构的形成。研究发现,AgNPs包覆的DANFC(DANFC/Ag)合成纳米纸可以很容易地形成声子转移的有效导热通路。因此,仅含1.9 vol% Ag的DANFC/Ag合成纳米纸的热导率(TC)比纯NFC纳米纸高5.35倍,即每vol% Ag的TC增强为230.0%,这得益于纤维素纳米纤维上修饰的AgNPs连接形成的连续导热通路。这种DANFC/Ag合成纳米纸有望作为热管理材料在下一代便携式电子设备中得到应用。相关研究工作以“Silver-Nanoparticle-Embedded Hybrid Nanopaper with Significant Thermal Conductivity Enhancement”发表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

图6. 具有显著热导率增强的银纳米粒子嵌入合成纳米纸


论文链接:

https://doi.org/10.1021/acsami.1c08894



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热电材料


1、Mater. Today Phys.:La掺杂抑制N型Mg3Bi2-xSbx晶格氧并改善热电性能

微量元素掺杂的n型Mg3Bi2-xSbx具有优异的热电性能,但这类材料的热电性能增强背后的结构起源尚未得到充分研究,这限制了其热电性能的进一步提高。
最近,中国科学院应用超导重点实验室和电子工程研究所的研究人员对多晶Mg3.2Bi1.5Sb0.5中与La掺杂相关的原子和电子结构进行了同步辐射X射线衍射和X射线吸收光谱研究,并分析了其与热电性能的联系。实验观察到在未掺杂的Mg3.2Bi1.5Sb0.5中Mg6Bi6六角圆柱空腔内存在间隙氧,这可能是其半导体行为的起源,而La可以有效抑制间隙氧,导致Bi的价态从-2.20变为更负(-3.35)。此外,由于优化的载流子浓度和增加的霍尔迁移率,La掺杂Mg3.2Bi1.5Sb0.5的热电性能显著提高,在525 K时的zT值约为0.75。该研究工作以“Depressed Lattice Oxygen and Improved Thermoelectric Performance in N-type Mg3Bi2-xSbx via La-doping”为题发表于Mater. Today Phys.上。

图7. 热导率和热电优值随温度的变化


论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100485

2、ACS Energy Lett.:高性能热电能量转换——AgSbTe2中原子有序的故事

近期Roychowdhury等人(Science, 2021, 371, 722)在Cd掺杂多晶AgSbTe2中获得了高度增强的热电优值zT≈2.6(573K),将这种材料带到了热电与能源研究的前沿。多晶AgSbTe2中的Ag/Sb离子有序长期以来一直是一个具有挑战性的问题:尽管有多个理论预测和实验研究,在多晶样品的阳离子亚晶格中,它们的有序排列仍然难以捉摸。
最近,印度尼赫鲁先进科学研究中心的研究人员发表综述文章,指出通过选择性阳离子掺杂增强Ag/Sb有序性,在多晶AgSbTe2中出现的阳离子有序纳米尺度(2−4 nm)畴可降低晶格热导率。增强的阳离子有序还使得无序诱导的局域电子态离域化,因此电子运输增强。该文章以AgSbTe2为例,提供了利用最近发展起来的原子有序-无序优化策略来合理设计高性能热电材料的细节。由于原子无序普遍存在于大多数热电材料中,这种原子有序−无序优化策略将适用于大部分热电材料。论文以“High-Performance Thermoelectric Energy Conversion: A Tale of Atomic Ordering in AgSbTe2”发表于ACS Energy Lett.上。

图8. 高性能热电材料中的原子有序


论文链接:
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c01184

3、Nature Materials:热电优值超越单晶的多晶SnSe

热电材料从废热中产生电能,其转换效率由无量纲的热电优值ZT决定。单晶硒化锡(SnSe)在913 K表现出约2.2-2.6的高ZT值,但是其更具实用价值的多晶形态ZT值较低,阻碍了低成本无铅热电材料的开发。多晶块体性能差的原因是痕量的锡氧化物覆盖在SnSe粉末表面,增加了导热性,降低了导电性,从而降低了ZT值。
最近,韩国首尔大学的研究人员及其合作者报道了一种空穴掺杂的SnSe多晶样品,试剂经过仔细纯化,去除锡氧化物后,在783 K下表现出约3.1的ZT值。这种材料的晶格热导率极低,在783 K下约为0.07 W m-1K-1,低于单晶。该研究表明在多晶样品中实现超高热电性能的途径是从SnSe颗粒表面合适地去除有害的导热氧化物,相应的高性能热电材料有望在热电发电机等电子设备中得到应用。相关研究工作以“Polycrystalline SnSe with a thermoelectric figure of merit greater than the single crystal”发表于Nature Materials上。

图9. 纯化前后NaxSn0.995-xSe的热电性能


论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41563-021-01064-6

4、Mater. Today Phys.:孤电子对工程:在Al掺杂GeTe基合金中实现超低晶格热导率和增强的热电性能

IV-VI化合物中孤电子对在调节声子和电子输运、实现优异的热电性能方面起着重要作用。
近日,深圳大学的研究人员从理论上揭示了Al掺杂GeTe中一个独特的孤电子对畸变特征,并进一步通过实验证明Al掺杂降低了晶格热导率。由于声子速度的降低和非谐性的增强,再加之点缺陷和层错的其它声子散射机制,在773 K时,Al掺杂GeTe表现出~0.21 Wm-1K-1的超低晶格热导率。此外,由于Al-3s孤对电子的畸变分布,Al在GeTe中表现出异常的p型掺杂行为。结合Al、Sb和Pb的掺杂效应,在Ge0.74Al0.02Pb0.1Sb0.1Te体系中,可以在773 K时获得2.21的高ZT值,在300-773 K的温度范围内获得1.51的高平均ZT值。该研究揭示了孤电子对畸变对增强GeTe的ZT值的影响,也为开发其它高ZT热电材料提供了新的思路。相关研究工作以“Lone-Pair Engineering: Achieving Ultralow Lattice Thermal Conductivity and Enhanced Thermoelectric Performance in Al-doped GeTe-based alloys”发表于Mater. Today Phys.上。

图10. (a)热电优值随温度的变化;(b)300-773 K温度范围内的平均ZT值


论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100497