1 电磁屏蔽材料

1、Advanced Materials: 含有准一维范德华填料的电绝缘柔性薄膜用于GHz和亚太赫兹频段的高效电磁屏蔽

具有准一维晶体结构的范德华材料，特别是过渡金属三卤化物（transition metal trichalcogenides, TMTs）材料因其可被剥离成纳米线或纳米带结构而引起了人们的兴趣。使用这种准一维范德华材料（如TaSe3）作为高长宽比金属性填料，可以使聚合物复合材料在宽频范围内具有电磁干扰屏蔽性能。

最近，加州大学Riverside分校Alexander A. Balandin教授课题组开发了一种含有准一维范德华填料的聚合物复合薄膜，填料采用具有一维结构的TMTs，能被剥离成原子线束。这种纳米结构的特点是长宽比高达~106。准一维TaSe3填料很低（<3 vol%）的情况下，该聚合物复合材料在X波段（8.2-12.4 GHz）和极高频的亚太赫兹频段（220-320 GHz）具有良好的电磁干扰屏蔽性能，且能同时保持直流电绝缘。薄膜的独特电磁屏蔽特性是由于电磁波与高长宽比导电TaSe3原子线束的有效耦合，即使填料含量低于电渗流阈值。这种新型薄膜具有柔性、重量轻、耐腐蚀、价格低廉、电绝缘等特点，有望在高频通信技术领域得到应用。相关研究成果以“Electrically Insulating Flexible Films with Quasi-1D van der Waals Fillers as Efficient Electromagnetic Shields in the GHz and Sub-THz Frequency Bands ”为题发表于材料领域顶级期刊Advanced Materials上。

图1. 不同填料聚合物复合材料的电磁屏蔽特性对比。（a）厚度归一化的比屏蔽效能SSE/t；（b）填料重量分数归一化的比屏蔽效能ZB。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202007286

2、Matter: 开/关可调的智能电磁干扰屏蔽气凝胶

电磁辐射污染会干扰电子设备的工作，造成信息泄漏，威胁人体健康，因而电磁干扰（EMI）屏蔽材料是防止电磁辐射污染的重要材料。与屏蔽性能固定的传统屏蔽材料相比，智能型EMI屏蔽材料可以根据具体的应用要求和环境实时变化，具有动态可调的性能，是未来更为理想的EMI屏蔽材料。因此，具有电磁波响应可调特性的智能电磁干扰屏蔽材料是未来电磁器件的研究热点。

最近，北京航空航天大学材料科学与工程学院的研究人员制备了一种基于层状碳气凝胶的智能电磁屏蔽材料，它可以通过压缩和卸压实现电磁波传输和屏蔽之间的可逆功能转换。这种智能材料是通过将导电碳纳米颗粒填充到木质层状碳气凝胶中制备而成，具有可逆压缩性和对应变敏感的导电性。初始状态的气凝胶具有阻抗匹配好、介电损耗小、允许电磁波穿透等特点，在机械压缩下，碳纳米颗粒在气凝胶中建立高导电通道，从而显著提高其导电性，激活其电磁干扰屏蔽性能。这种功能的开关是可逆的，可通过反复压缩和卸压来实现。这项研究为电磁响应的动态切换提供了一个独特的模型，也为构建多功能智能电磁响应系统提供了机会。相关研究成果以“Off/on switchable smart electromagnetic interference shielding aerogel ”为题发表于Matter上。

图2. 开/关可调的智能电磁干扰屏蔽气凝胶。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.02.022

2 热管理材料

1、Nature Materials: 基于二维共价有机框架的超低k导热介质层

随着微处理器的小型化，低介电常数（low-k）材料是限制电子串扰、电荷积累和信号传播延迟的必要材料。然而，所有已知的低k电介质都表现出较低的热导率，这使其无法满足高功率密度芯片的散热需求。二维（2D）共价有机框架（Covalent Organic Frameworks, COF）拥有大的永久孔隙率（导致低介电常数）和周期性层状结构（产生相对较高的热导率）。然而，传统的2D COF合成路线不适合这些特性（热导率、介电常数）的评估，也不便与器件的集成。

最近，美国西北大学的研究人员及其合作者报道了一种高质量COF薄膜的制备方法，使得热反射和阻抗谱测量成为可能。测量结果表明，2D COF具有很高的热导率（1 Wm−1K−1）和超低的介电常数（k=1.6）。这项研究工作表明取向层状2D聚合物是很有前途的下一代介电层材料，这种分子级精确可调的材料也为各种有用性能组合的调控提供了可能。相关研究成果以“Thermally conductive ultra-low-k dielectric layers based on two-dimensional covalent organic frameworks”为题发表于Nature Materials上。

图3. 不同材料热导率和介电常数的关系。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41563-021-00934-3

2、J. Mater. Chem. A: 兼具热管理和电磁屏蔽功能的导热不可燃石墨烯纳米片交联聚芳酰胺纳米纤维纸

随着可穿戴电子设备的快速发展，人们对同时具有超坚固、导热、不易燃和电磁干扰（EMI）屏蔽特性的多功能膜的需求越来越高。然而，通常情况下，这类多功能膜（纸）的可扩展性和机械柔性较差，这阻碍了其实际应用。

最近，国立韩国交通大学的研究人员提出了一种蒸发诱导自组装方法，用于大规模制备具有珍珠仿生结构的石墨烯纳米片（graphene nanoplatelet, GnP）交联聚芳酰胺纳米纤维（aramid nanofiber, ANF）纸。通过二维GnP和一维ANFs之间的化学交联，成功实现了优异的韧性和耐折性，同时集成了其他多种功能特性。这种纸在10000次弯曲循环后表现出优异的极限拉伸强度（437 MPa）、杨氏模量（19.7 GPa）、韧性（23.9 MJ m-3）以及优异的折叠耐久性。此外，高度有序排列的GnP导致了前所未有的导热性和导电性，在超薄厚度21 μm下，这种纸显示出极好的面内导热性（高达68.2 W m-1 K-1）和优异的EMI屏蔽性能（高达11 060 dB cm2 g-1），与一些商用金属/合金相当。这种材料不仅具有优异的机械柔性、导热性能和电磁干扰屏蔽性能，还可以大规模制备，这为其在自动汽车、飞行器和可穿戴设备的先进热管理材料中的实际应用铺平了道路。相关研究成果以“Scalable ultrarobust thermoconductive nonflammable bioinspired papers of graphene nanoplatelet crosslinked aramid nanofibers for thermal management and electromagnetic shielding”为题发表于J. Mater. Chem. A上。

图4. （a）不同填料含量下的热导率；（b）面内热导率对比；（c）抗拉强度和面内热导率对比；（d）不同填料含量纳米复合材料的面内热导率对比；（e）OLED表面温度；（f）OLED的亮度（有纸和无纸）。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D0TA12306D

3 电介质材料

1、Chem. Eng. J.: 通过表面平整化提高全聚合物薄膜的介电击穿强度和储能性能

介电储能材料的能量密度取决于它能承受的最大电场（击穿强度Eb）、介电常数（Dk）和充放电效率（η），其中如何提高介电常数和击穿强度是一项主要挑战。聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene, PTFE）薄膜是一种用途广泛的聚合物电介质材料，具有优异的耐热性，可在高温下使用（高达200℃），但其击穿强度很大程度上取决于表面平整度。

最近，深圳先进电子材料国际创新研究院于淑会研究员及其合作者提出了使用环氧树脂对PTFE薄膜的表面进行平整化的方法，通过采用具有良好流动性、介电常数比PTFE更高的环氧树脂对PTFE薄膜表面的凹坑进行填充，来改善其储能性能。研究发现，通过以上方法，可以获得555 kV/mm的高击穿强度，是纯PTFE薄膜的134%，室温介电常数提高至2.3，放电能量密度为3.58 J/cm3（纯PTFE薄膜的2.2倍），放电效率为98%。在150 ℃下，这种材料的放电能量密度仍然高达1.93 J/cm3，效率为99%。这种聚合物电介质薄膜的表面处理工程对实际应用中提高储能性能具有重要意义。相关研究成果以“Enhancement of dielectric breakdown strength and energy storage of all-polymer films by surface flattening”发表于Chem. Eng. J.上，深圳先进电子材料国际创新研究院于淑会研究员和中科院微电子研究所曹立强研究员为共同通讯作者。

以上研究工作得到了国家自然科学基金委（51907194、51777209、U20A201735）、深圳市科技创新委员会（ZG8Y）、科技部国家重点研发计划（2017YFB0406300）、深圳市孔雀项目（KQJSCX20170731163718639）和上海市电气绝缘与热老化重点实验室开放项目的经费支持。

图5. 薄膜的高温储能性能。（a）D-E回线；（b）100 ℃和150 ℃下充放电效率（η）随外加电场的变化；（c）不同温度下的最大电位移（Dmax）；（d）100℃和150 ℃下放电能量密度（Ud）随外加电场的变化。

论文链接：DOI: 10.1016/j.cej.2021.128476

2、J. Am. Ceram. Soc.: 一种具有高品质因数的低温烧结微波介质陶瓷SrZnV2O7

现代通信技术的飞速发展对微波器件提出了更高的要求。为了满足器件制造的要求，微波介质陶瓷应具有合适的介电常数（εr）、高品质因数（Qf）和接近零的谐振频率温度系数（τf）。近年来，低温共烧陶瓷（Low temperature co-fired ceramics, LTCC）技术因其能有效减小器件体积，实现器件的小型化、集成化和模块化而备受关注。在LTCC中，陶瓷需要与金属电极（如Ag）共烧，这要求较低的烧结温度（<961 ℃，Ag的熔点）和与电极的化学相容性。

最近，湖南大学电气与信息工程学院的研究人员采用传统固相烧结方法，合成了一种低温烧结的SrZnV2O7陶瓷，其εr值为11.28，Qf值为56660 GHz，τf值为−27.2 ppm/℃。该陶瓷在740 ℃下低温烧结4 h即可致密化，并且与Ag化学相容，这使其成为LTCC技术的潜在候选材料。相关研究成果以“SrZnV2O7: A low-firing microwave dielectric ceramic with high quality factor”发表于陶瓷领域顶级期刊J. Am. Ceram. Soc.上。

图6. 不同温度下烧结的SrZnV2O7陶瓷的相对密度、介电常数、Qf值和τf值。

论文链接：https://doi.org/10.1111/jace.17762

4 热电材料

1、Advanced Materials: 具有良好适形性和热电性能的塑性Ag20S7Te3

异型热电温差发电机（thermoelectric generators, TEGs）可以为海底输油管道安全监测系统中的传感器提供动力，但由于缺乏既具有良好形状适应能力又具有高的热电性能的材料，其发展受到很大限制。

最近，中国科学院上海硅酸盐研究所的研究人员报道了一种新型的高韧性无机热电材料Ag20S7Te3。在300-600 K时，其结晶为体心立方结构，其中S和Te原子随机占据（0，0，1）位。因为（10-1）[010]滑移系更小的层错能，Ag20S7Te3表现出比Ag2S更好的延展性，从而具有良好的形状适应性。此外，Ag20S7Te3具有高的载流子迁移率和低的晶格热导率，在600 K时，其最大热电优值（zT）为0.80，与最好的商用Bi2Te3基合金相当。研究人员展示了由10个Ag20S7Te3条带组成的TEG样机，在70 K的温差下，其开路电压为69.2 mV，最大输出功率为17.1 μW。这项研究为实现异型TEG开辟了一条新的途径。相关研究成果以“Ductile Ag20S7Te3 with Excellent Shape-Conformability and High Thermoelectric Performance”发表于材料领域顶级期刊Advanced Materials上。

图7. （a）异型TEG制造过程示意图；（b）等效电路；（c）工作时的红外相机照片；（d）在30 K和70 K温差下输出电压（V）和输出功率（P）随电流（I）的变化。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202007681

文字 | 科研与产业部战略研究办

编辑 | 综合管理部文宣办