电子材料院 | 科技前沿资讯-2021年第七期

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电介质材料


1、Chem. Eng. J.:由单元素掺杂钛酸钡构成的核壳纳米纤维用于高能量密度聚合物纳米复合材料

核壳纳米填料用于介电纳米复合材料有望同时获得高相对介电常数(εr)和击穿强度(Eb)等特性。然而,传统的核壳纳米填料有两个主要缺点:(1)低εr壳层极大地限制了整个纳米填料的εr;(2)烧结性能的差异和核壳材料之间的晶格常数差异会诱导额外的缺陷,从而导致材料过早击穿。因此,在低填充量下,显著提高放电能量密度Ud是很困难的。
近日,大连理工大学的研究人员提出使用单元素掺杂钛酸钡构成的核壳型纳米纤维作为填料,以同时实现相对较高的εr和Eb,来获得高Ud的纳米复合材料。结果表明,含有2 wt%聚多巴胺修饰的BZT15@BZT35纳米纤维的单层纳米复合薄膜BZT15@BZT35@PDA_nfs表现出比原始聚偏氟乙烯(PVDF)增强64%的Ud值。使用2 wt%纳米纤维作为中间层的三明治纳米复合薄膜(PVDF/BZT15@BZT35@PDA_nf/PVDF/PVDF则达到了约100%的增强。这种纳米填料设计策略可以通过同轴静电纺丝很容易地实现,并且可基于三轴静电纺丝和其他多喷嘴静电纺丝方法进一步发展。该研究为开发低填充量的高能量密度聚合物纳米复合材料提供了新的思路。相关研究工作以“Novel designed core-shell nanofibers constituted by single element-doped BaTiO3 for high-energy-density polymer nanocomposites”为题发表于Chem.Eng. J.上。


图1. 由单元素掺杂钛酸钡构成的核壳纳米纤维用于高能量密度聚合物纳米复合材料


论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131046



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热管理材料


1、Adv. Funct. Mater.:基于垂直排列、共价键合石墨烯纳米壁的柔软自粘热界面材料用于高效微电子冷却


随着集成电路和电子设备的功率和封装密度不断增加,将多余的热量有效地从热点通过热界面材料(Thermal Interface Materials,TIMs)耗散至热沉以保持系统的可靠性和性能,已成为一个日益增长的需求。近年来,石墨烯基TIMs因其超高的固有热导率而受到广泛关注。然而,受限于某些技术难点,这种TIMs的冷却效率仍然很低,如生产引起的石墨烯缺陷、石墨烯在基体中排列不良,以及石墨烯/石墨烯或石墨烯/基体界面的强声子散射。
最近,中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究人员及其合作者报道了一种120 µm厚的薄膜,使用中间等离子体化学气相沉积制备得到,由垂直排列的、共价键合的石墨烯纳米壁(Graphene nanowalls, GNWs)组成。在用硅酮填充GNWs后,所制备的粘性TIMs在5.6 wt%的低石墨烯含量下表现出20.4 W m-1 K-1的高跨平面热导率。在TIM性能测试中,其冷却效率是最先进的商业TIMs的1.5倍。这种TIMs实现了高热导率和低厚度之间的理想平衡,通过提供优越的冷却性能,可用于大功率发光二极管芯片以抑制发光性能退化。这项研究工作以“Soft and Self-Adhesive Thermal Interface Materials Based on Vertically Aligned, Covalently Bonded Graphene Nanowalls for Efficient Microelectronic Cooling”为题发表于Adv. Funct. Mater.上。

图2. (a)与不同类型石墨烯结构的热导率增强对比;(b)通过范德华相互作用和共价键连接的相邻石墨烯的界面热阻计算值;(3)热传导的模拟结果。


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https://doi.org/10.1002/adfm.202104062


2、ACS Appl. Mater. Interfaces:碳纳米管阵列热界面材料在热老化下的退化:键合、阵列高度和催化氧化的影响


碳纳米管(Carbon nanotube,CNT)阵列热界面材料(TIMs)是一种很有前途的高性能材料。然而,为了进行商业应用,界面的可靠性是一个同样重要的参数,到目前为止还没有得到彻底的研究。
近期,瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员通过加速老化研究了碳纳米管阵列TIMs的可靠性,并揭示了碳纳米管阵列高度和基板结构对热阻退化的影响。老化后,用X射线光电子能谱分析CNT催化剂的化学变化,发现CNT-催化剂键合在老化过程中似乎会退化,但还没达到会影响TIM性能的程度。另一方面,表面热膨胀系数不匹配会产生需要吸收的应变,这就要求碳纳米管阵列具有足够的高度。碳纳米管根部和尖端的转移和键合也创造了更可靠的界面。最关键的是,大多数先前报道的碳纳米管阵列TIMs的阵列高度不足以防止重大的可靠性问题。该研究以“Degradation of Carbon Nanotube Array Thermal Interface Materials through Thermal Aging: Effects of Bonding, Array Height, and Catalyst Oxidation”发表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

图3. 碳纳米管阵列热界面材料的可靠性研究


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https://doi.org/10.1021/acsami.1c05685



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电磁屏蔽材料


1、Adv. Electron. Mater.:高效电磁干扰屏蔽用柔性导电纤维素复合纸


便携式设备硬件和柔性电子器件对开发具有优异力学性能的高效电磁干扰屏蔽材料提出了迫切需求。
近期,西安理工大学的研究人员及其合作者开发了一种具有特殊三层结构的高导电柔性银纳米线/石墨烯纳米片/纤维素(AgNWs/GNSs/纤维素)复合纸。这种通过真空辅助过滤和涂层方法制备的复合纸因具有独特的层状结构而表现出优异的电磁屏蔽性能。通过改变导电层的顺序,整体屏蔽性能可进一步提高。在厚度为0.17 mm时,屏蔽效能(shielding effectiveness,SE)为53.3 dB。该复合材料还表现出显著的抗弯性能,即经1000次反复弯曲试验后,无明显结构变化。此外,所制备的复合材料还具有良好的力学性能。这项工作指出了一条开发优异电磁屏蔽材料的简易策略。相关研究工作以“Flexible and Conductive Cellulose Composite Paper for Highly Efficient Electromagnetic Interference Shielding”发表于Adv. Electron. Mater.上。

图4. 复合纸在X波段的电磁屏蔽性能


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https://doi.org/10.1002/aelm.202100496


2、Mater. Today Phys.:从金属有机框架获得纳米复合材料用于电磁波吸收


由金属和配体组成的金属有机框架(Metal-organic frameworks,MOFs)在微波吸收领域有着广阔的应用前景。MOF衍生材料具有密度低、重量轻、介电和磁性能优异等特点,因而吸引越来越多的研究人员在微波吸收领域进行研究。
近日,青岛大学的研究人员报道了一种镍钴基尖晶石NiCo2S4@C/多孔碳(Porous carbon,PC)复合材料。由于可设计的界面和添加的偶极子,微波介电响应显著提高,从而提高了微波吸收性能。结果显示,当匹配厚度为2.1 mm时,在15.28 GHz频率下可获得-59.36 dB的最小反射损耗(RLmin。同时,有效吸收带宽(Effective absorption band,EAB)可达6.8 GHz,表现出理想的宽带特性,使其成为高性能吸波材料的一个有希望的候选。相关研究工作以“Tailoring nanoparticles composites derived from metal-organic framework as electromagnetic wave absorber”发表于Mater. Today Phys.上。


图5. 基于金属有机框架的纳米复合吸波材料


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https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100475



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热电材料


1、Small:面向热电半赫斯勒化合物极端声子散射的高压烧结诱导微结构工程


热管理在各种现代技术中至关重要,如便携式电子、光电和热电设备。阻碍声子输运仍然是改善某些热电材料(如半赫斯勒化合物)热电性能最具挑战性的任务之一。
最近,德国莱布尼兹固体和材料研究所的研究人员通过施加≈1 GPa的压力显著降低晶格热导率,并烧结了一系列半赫斯勒化合物。与通常低于100 MPa的烧结压力相比,GPa级的烧结压力可以在较低的温度下实现致密化,从而可大大增强声子散射。对HfCoSb,相对密度大于95%时,在300 K下的最大晶格热导率降低约83%(从14到2.5 W m-1K-1)。所达到的低晶格热导率来源于显著的晶粒细化(到100 nm以下)以及大量的晶粒内部缺陷。这项工作揭示了半赫斯勒化合物在非常规显微结构下的声子输运特性,也展示了高压致密化在提高热电材料性能方面的潜力。研究成果以“High-Pressure-Sintering-Induced Microstructural Engineering for an Ultimate Phonon Scattering of Thermoelectric Half-Heusler Compounds”发表于Small上。

图6. (a)声子平均自由程;(b)晶格热导率随温度的变化


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https://doi.org/10.1002/smll.202102045


2、J. Mater. Chem. A:高导电热电材料的光增强Seebeck效应


高Seebeck系数和高电导率对可直接将热转化为电能的热电材料至关重要。尽管光照能影响某些低电导率无机或有机材料的Seebeck系数,但无法提高具有高电导率的热电材料的Seebeck系数,因而没有实际意义。

近期,新加坡国立大学的研究人员及其合作者报道了光增强Seebeck效应对含TiO2纳米粒子的PEDOT:PSS柔性高导电复合材料的影响。当PEDOT:PSS中TiO2纳米粒子含量为66.9 wt%时,其被曝露在紫外光下的Seebeck系数可从23.5 μV K-1提高到94.3 μV K-1,紫外光照射PEDOT:PSS和TiO2纳米颗粒的双层结构可以将其功率因数从159 μW m-1 K-2提高到356 μW m-1 K-2。Seebeck系数的提高是由于紫外光诱导电子从TiO2的价带激发到导带,随后电子又从TiO2的导带转移至PEDOT:PSS的导带。这可以部分地使PEDOT:PSS去掺杂,从而提Seebeck系数并且PEDOT:PSS的去掺杂可以很容易地通过控制光强度来调控。这项研究以“Photo-enhanced Seebeck effect of a highly conductive thermoelectric material”发表于J. Mater. Chem. A上。

图7.TiO2@PEDOT:PSS薄膜的热电性能


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https://doi.org/10.1039/D1TA04366H



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半导体制造与先进封装材料


1、Science:高密度弹性电路的单片微光刻


聚合物电子材料使柔软和可伸缩的电子产品变得可能。然而,与硅基器件相比,由于缺乏一种通用的弹性电路的微/纳米加工方法,导致器件密度低,并行信号记录和处理能力有限。
最近,美国斯坦福大学的研究人员提出了一种单片微光刻工艺,通过顺序紫外光触发溶性调制,可直接对一组弹性电子材料进行微图形化。研究团队以每平方厘米42000个晶体管的密度制造了沟道长度为2微米的晶体管,进而制作了弹性电路,包括一个异或门和半加法器,这两者都是必不可少的算术逻辑部件。该工艺提供了一条实现复杂、高密度、多层弹性电路的晶圆级制造路径,其性能可与刚性电路媲美。相关研究工作以“Monolithic optical microlithography of high-density elastic circuits”发表于Science上。

图8. 用于高密度弹性电路的单片微光刻。(a)示意图;(b)弹性晶体管器件构型;(c)单片微光刻制造的4英寸晶圆级弹性电路阵列;(d)弹性电路阵列外观;(e)基于紫外光引发交联的弹性电子材料光刻机理;(f)单片微光刻工艺流程。


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DOI: 10.1126/science.abh3551


2、Mater. Design:高速电沉积法制备Cu柱及其与Ajinomoto绝缘胶膜(ABF)的附着力


铜柱的制备近年来受到微电子、通信行业的广泛关注,因为铜柱可以作为散热器件以及不同封装层次之间的电连接,从而为微电子封装提供有效的空间利用。
近日,中国台湾元智大学和台湾大学的研究人员通过采用高速电沉积法制备了Cu柱,并研究了其与Ajinomoto绝缘胶膜(ABF)的附着力。使用SEM、EBSD、FE-TEM、欧姆计、纳米压痕仪等表征测试手段对这些铜柱在不同电流密度(j=2,5,7.5和10 A/dm2)下电镀后的形态、结晶学、电学和力学特性进行了系统研究,并通过剪切试验评估了铜柱在ABF基板上高温存储后的附着力。最后,采用有限元分析方法(COMSOL-Multiphysics)模拟了高速电沉积Cu时通孔结构中的电流密度和电解质分布,表征了随着j的不断增大所引起的形貌、结晶学形态、力学性能转变。这一研究促进了我们对电化学金属沉积的理解,有助于高速铜电沉积技术的发展。相关研究以“High-speed electrodeposition for Cu pillar fabrication and Cu pillar adhesion to an Ajinomoto build-up film (ABF)”发表于Mater. Design上。

图9. 高速电沉积法制备Cu柱及其与Ajinomoto绝缘胶膜(ABF)的附着力


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https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109830


3、ACS Omega:用本征负性光敏聚酰亚胺制备的可光图案化高速电纺超细纤维


各种光敏聚合物纤维被用于形成柔性电路甚至生物医学应用的阵列结构。然而,两个主要缺陷限制了此类材料的进一步应用。首先,传统聚合物纤维的热稳定性差,可能导致微图形在烘烤过程中的尺寸损失,这无疑不利于光刻。其次,由随机排列的纤维制成的常规柔性电子器件往往具有较低的机械强度和耐久性,因此难以承受多次变形和弯曲,从而对整个器件的可靠性产生不利影响。
最近,中国地质大学和曼彻斯特大学的研究人员采用有机可溶性本征PSPI作为成纤剂,利用高速静电纺丝法制备了一种具有取向纤维结构的聚酰亚胺(PI)超细纤维膜(Ultrafine fibrous membranes,UFMs)。研究团队研究了不同转速对纤维形态和性能的影响。取向UFMs具有疏水性、良好的光学性能和变形耐久性。随着转速的提高,UFMs的拉伸强度明显增强,2500 rpm时达到最大值9.18 MPa。此外,由于PI树脂的光交联性质,UFMs具有光刻能力,可以在铝基板上获得微小的图形,甚至在显影后保留了部分纤维结构。这项工作展示了在柔性衬底上制造基于纤维的光刻多级结构的前景。相关研究工作以“Photo-Patternable, High-Speed Electrospun Ultrafine Fibers Fabricated by Intrinsically Negative Photosensitive Polyimide”发表于ACS Omega上。

图10. 用本征负性光敏聚酰亚胺制备的可光图案化高速电纺超细纤维


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https://doi.org/10.1021/acsomega.1c02535


4、Adv. Electron. Mater.:柔性聚酰亚胺衬底上晶体离子切片制备的铌酸锂单晶薄膜的电阻开关效应


随着人工智能的发展,用于内存和神经计算的新型设备引起了极大关注。此外,柔性电子设备,如柔性传感器、柔性晶体管,在柔性电子系统中也引起了人们的兴趣。因此,可与其它柔性电子器件和柔性电路集成的柔性存储和神经计算器件,将在未来的可穿戴电子、电子皮肤、智能机器人柔性传感系统等柔性电子系统中发挥重要作用。
最近,电子科技大学的研究人员以苯并环丁烯(Benzocyclobutene,BCB)为键合层,采用晶体离子切片(Crystal-ion-slicing,CIS)技术将单晶LN薄膜转移至聚酰亚胺(Polyimide,PI)衬底上,用低能Ar+辐照引入高浓度氧空位层,制备了柔性单晶LiNbO3(LN)薄膜,并研究了其电阻开关特性。在同一薄膜上的不同忆阻器单元中观察到了均匀稳定的电阻开关行为,这与所制备的LN薄膜的单晶特性有关。即使将LN薄膜弯曲上千次或弯曲成不同半径,其通断比(on/off ratio)也基本相同。由此,基于CIS工艺和Ar+辐照,建立了柔性忆阻器用柔性单晶薄膜的制备方法。该研究证实在PI衬底上制备单晶LN薄膜是一种很有前途的柔性忆阻器结构,其电阻开关行为可用结合丝状电导机制和肖特基发射机制的新型导电模型来解释。相关研究成果以“Resistive Switching Effects of Crystal-Ion-Slicing Fabricated LiNbO3 Single Crystalline Thin Film on Flexible Polyimide Substrate”发表于Adv. Electron. Mater.上。

图11. 基于铌酸锂薄膜的柔性忆阻器的制备工艺


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https://doi.org/10.1002/aelm.202100301