1 电磁屏蔽材料

1、ACS Appl. Mater. Interfaces: 还原电化学剥离石墨烯薄膜用于高性能电磁干扰屏蔽

二维石墨烯由于其固有电导率、重量轻、即使在较小厚度下也具有良好的机械柔性等优点，在电磁干扰屏蔽方面具有重要应用价值。然而，复杂的合成和质量控制困难限制了其应用。

最近，韩国科学技术院的研究人员报道了电化学剥离石墨烯经后还原处理之后，可成为轻质电磁干扰屏蔽材料的候选材料。这种简便的电化学剥离方法可以制备出高质量的多层石墨烯，由于氧化程度较低，其电导率高达600 S cm−1。通过化学、热和微波处理三种不同方法对其还原，发现可导致表面官能团的去除以及薄膜微观结构的显著变化。利用微波还原的石墨烯薄膜，由于导电性的提高和大的体积膨胀，在125 μm厚度下表现出108 dB的屏蔽效能，这是石墨烯在相当厚度下迄今报道的最大电磁干扰屏蔽值之一。相关研究成果以“Reduction of Electrochemically Exfoliated Graphene Films for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding”发表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

图1. 还原电化学剥离石墨烯薄膜用于高性能电磁干扰屏蔽

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https://doi.org/10.1021/acsami.0c22920

2、ACS Nano: 具有优异电磁波吸收性能的多功能磁性Ti3C2Tx MXene/石墨烯气凝胶

对吸波材料来说，传统的单组分电介质或铁氧体难以同时满足阻抗匹配特性好、抗干扰能力强的要求。因此，设计结构巧妙的多元杂化材料逐渐成为未来高性能吸波材料的主流。

最近，郑州大学的研究人员提出了一种巧妙的微结构设计和合适的多组分策略，可在薄厚度和低填充水平下实现对电磁波的高效吸收和宽频吸收。研究人员通过定向冷冻法和肼蒸汽还原法构建了以磁性镍纳米链为锚定物的三维（3D）介电Ti3C2Tx MXene/还原氧化石墨烯（RGO）气凝胶。这种取向结构和异质介电/磁界面通过形成完美的阻抗匹配、多重极化和电/磁耦合效应，从而实现优异的吸波性能。这种超轻的气凝胶材料（6.45 mg cm−3）表现出−75.2 dB的最小反射损耗（RLmin），即能够有效吸收99.999996%的电磁波，最宽吸收带宽为7.3 GHz。此外，良好的结构坚固性、机械性能以及高疏水性和隔热性能（接近空气），使这种气凝胶材料能够抵抗变形、承受高温冲击、适应水或潮湿的环境。相关研究成果以“Multifunctional Magnetic Ti3C2Tx MXene/Graphene Aerogel with Superior Electromagnetic Wave Absorption Performance”为题发表于ACS Nano上。

图2.  Ti3C2Tx MXene/石墨烯气凝胶及其吸波性能

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https://doi.org/10.1021/acsnano.0c09982

2 电介质材料

1、ACS Appl. Mater. Interfaces: 通过机器学习对 Gillespite型微波介质陶瓷的Q×f值进行定量预测

微波介质陶瓷是无线通信系统的基础材料。为了满足5G/6G的要求，需要开发高Q×f的介质材料，以获得良好的频率选择性、热稳定性（近零谐振频率温度系数τf）以及减少信号延迟（低介电常数εr）。

近期，中国科学院大学和中科院上海硅酸盐研究所的研究人员对Gillespite型陶瓷ACuSi4O10（A=Ca, Sr, Ba）的结构和介电性能进行了研究。制备得到的(CaxSr1−x)CuSi4O10（0

图3. 通过机器学习对微波介质陶瓷的Q×f值进行定量预测

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c01909

2、J. Eur. Ceram. Soc.: 微带贴片天线用高品质因数冷烧结LiF陶瓷

微带贴片天线（Microstrip Patch Antennas, MPA）具有体积小、重量轻、制作容易、成本低等优点，被广泛应用于手机、平板电脑等手持通信设备的射频器件。由于介质基板在优化天线性能（如辐射系数和效率）方面起着重要作用，MPA的有效实现需要高性能的微波介质陶瓷。

最近，杭州电子科技大学的研究人员采用冷烧结和后退火工艺制备了致密的LiF陶瓷，其相对密度可达97.6%。这种陶瓷的Qf值随冷烧结压力的增大而增大，在375 MPa时达到最大值134050 GHz，是常规烧结（73800 GHz）的1.82倍，εr值为8.45，τf值为-135 ppm/℃。研究团队以这种LiF陶瓷为基板设计并制作了一种微带贴片天线，其S11值为–20.3 dB，在谐振频率为6.81 GHz时，模拟效率为90.5%，增益为4.25 dB。相关研究成果以“High quality factor cold sintered LiF ceramics for microstrip patch antenna applications”为题发表于陶瓷领域Top期刊J. Eur. Ceram. Soc.上。

图4. （a）贴片天线示意图；（b）模拟和测量的S11曲线；（c）测量得到的VSWR；（d）模拟的天线辐射增益和效率随频率的变化；（e）E-平面和（f）H-平面的模拟辐射模式。

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https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.03.052

3 热管理材料

1、ACS Nano: 用于可扩展热管理应用的高导热3D打印石墨烯填充聚合物复合材料

在优选方向上的高效热传输有利于解决热管理问题，而3D打印和二维材料（如石墨烯、BN等）的结合为多级结构设计提供了无限的可能性。

最近，北京大学的研究人员报道了一种石墨烯填充热塑性聚氨酯复合材料，其在3D打印过程中可形成不对称排列结构。在45 wt%石墨烯含量下，垂直排列的打印结构表现出高达12 W m–1 K–1的贯通平面热导率，是水平打印结构的8倍，超过了许多传统的颗粒增强聚合物复合材料。这主要归功于各向异性的结构设计，这种结构设计得益于石墨烯良好的取向度和通过精细控制打印参数实现的多尺度致密结构。有限元法也证实了各向异性热导率设计对高导热复合材料的本质影响。本研究为开发3D打印石墨烯基聚合物复合材料提供了一种有效的方法，可用于电池热管理、电子封装等可扩展的热相关应用。这项研究工作以“Highly Thermally Conductive 3D Printed Graphene Filled Polymer Composites for Scalable Thermal Management Applications”发表于ACS Nano上。

图5. 3D打印高导热石墨烯填充聚合物复合材料

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https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10768

2、Composites Science and Technology: 电子封装用新型微纳环氧复合材料——导热性与加工性能的平衡

在高功率电子器件中，不仅要求环氧树脂（Epoxy, EP）复合材料具有良好的综合加工性能、低的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）和高的导热系数，对其电绝缘性能的要求也越来越高。然而，虽然微米填料对保持环氧复合材料良好的流动性有积极作用，但对其单位质量的导热系数没有明显提高。尽管高比表面积的纳米填料在构建导热网络方面拥有很好的前景，但纳米填料的分散性难以控制，会导致粘度增加和加工困难。

近期，湖北大学的研究人员报道了一种在EP/S-Al2O3复合物中添加少量银纳米线（AgNWs）的方法，可以极大地提高其导热性，且不会牺牲其加工性能。由于刚性纳米线在球形粒子之间的桥接作用，添加40% S-Al2O3和0.5% AgNWs的微纳米EP/AgNWs/S-Al2O3复合材料的热导率比未添加AgNWs的提高了106.5%。这种微纳米填料网络结构可以弥补单一微米或纳米导热填料的局限性，其最佳综合性能可达到1.602 W/mK的高导热系数、55.6 Pa s的低粘度、37.1 ppm/℃的低CTE和152.1℃的高玻璃化转变温度（Tg）。这些结果表明将多尺度填料引入环氧复合材料中，可以解决导热性能与加工性能之间的折衷问题，适合在高功率密度电子器件中应用。相关研究成果以“Novel micro-nano epoxy composites for electronic packaging application: balance of thermal conductivity and processability” 发表于复合材料著名期刊Composites Science and Technology上。

图6. 微米填料和微米-纳米多尺度填料环氧复合材料综合性能对比

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https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.108760

4 热电材料

1、Joule: 载流子介导的晶格软化贡献热电半导体的高zT值

低晶格热导率κL是获得高质量热电材料的关键。尽管κL与声速νs之间的关系表明抑制νs可以显著降低κL，但不在化学上进行大幅改变的情况下改变νs的方法很少。大的声子速度会导致高的晶格热导率（κlat），这对热电性能是不利的。所有好的热电材料都是重掺杂半导体，其中声速νs和晶格热导率κL通常被认为与电子掺杂无关。

最近，美国西北大学的研究人员证实在八种人们熟知的热电半导体材料中，电子掺杂直接抑制νs，并揭示了载流子密度nH是观察到的晶格软化的主要原因。这种晶格软化足以降低κL，显著提高热电优值。在p型SnTe和n型La3-xTe4中，当nH从1019增加到1021 cm-3时，νs分别降低了16%和20%，这足以使κlat降低近50%。在高性能材料（zTmax>1）中，这种巨大的软化效应可以通过抑制总热导率贡献最佳热电优值（zTmax）的25%。这一发现表明，虽然重掺杂热电半导体的研究已经超过五十年，但是载流子介导的晶格软化对其性能的影响一直没有得到重视，对固体热传输的理解也必须重新考虑。这项研究成果以“Charge-carrier-mediated lattice softening contributes to high zT in thermoelectric semiconductors”发表于Joule上。

图7. 载流子介导的晶格软化贡献热电半导体的高zT值

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https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.009

2、Joule: 具有大原子尺寸失配引起的晶体-非晶二元性的热电材料

探索和发现新的高性能材料一直是科学、工程和技术的永恒追求。近日，上海交通大学的研究人员及其合作者报道了一个高性能热电材料系列(Cu1−xAgx)2(Te1−ySy)（0.16≤x≤0.24，0.16≤y≤0.24），它采用与(Cu/Ag)2(S/Te)的任何已知晶体结构不同的复杂正交结构，其结构特征为S/Te尺寸失配诱导的晶体-非晶二元性，即高度尺寸错配的阴离子Te/S的晶态亚晶格与阳离子Cu/Ag的类非晶态亚晶格共存。在结构-性质关联的背景下，晶体-非晶二元性不仅产生了有趣的电学性质，而且在300到1000 K范围内产生了极低的晶格导热系数。在x=y=0.22的样品中，获得了2.0的最先进的热电优值zT。这些结果证明晶体-非晶二元性是一种超越经典的发展高性能热电材料的范式。这项研究工作以“Thermoelectric materials with crystal-amorphicity duality induced by large atomic size mismatch”为题发表于Joule上。

图8. 大原子尺寸失配引起的具有晶体-非晶二元性的热电材料

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https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.012

5 纳米金属材料

1、Acta Materialia: 非均质纳米结构Cu中纳米孪晶束的各向异性强化

当高密度的纳米孪晶嵌入纳米晶粒基体中时，可以实现高强度，同时保持相当大的断裂韧性。因为孪晶束能有效地阻止位错运动；同时，它们为位错积累和储存提供了充足的空间，并能防止微孔形核和断裂。

最近，中国科学院金属研究所的研究人员报道了由各向同性纳米晶粒基体和各向异性纳米孪晶束组成的非均质纳米结构铜在与孪晶边界（twin boundaries, TBs）平行、法向、45°加载方向下的各向异性拉伸行为。与均质纳米孪晶的各向异性强化效应不同，这种异质结构在平行拉伸下表现出最高的强度，在法向拉伸下表现出中等强度。分析表明，纳米孪晶束与纳米晶粒基体之间存在依赖取向的变形协调，即平行取向的协调变形；但在法向和45°方向上明显不协调。这一结果表明非均质纳米结构中纳米孪晶的强化效应不仅取决于其自身的强度，而且还受与周围组分变形协调的影响。依赖于取向的变形协调源于纳米晶粒基体中各向同性剪切带与纳米孪晶束中各向异性变形的相互作用。相关研究成果以“Anisotropic strengthening of nanotwin bundles in heterogeneous nanostructured Cu: Effect of deformation compatibility”发表于顶级期刊Acta Materialia上。

图9. 非均质纳米结构Cu中纳米孪晶束的各向异性强化：变形协调的影响

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116830

6 先进封装

1、Nature Electronics: 用激光太赫兹发射显微镜表征硅通孔

硅通孔（Through-Silicon Vias, TSVs）提供了不同芯片层之间缩短垂直互连的方法，与传统的引线键合方案相比，速度更快，功耗更低。TSVs通常采用高深宽比硅蚀刻，然后沉积用于电绝缘的薄二氧化硅（SiO2）介质衬垫，并用铜等金属填充空通孔。目前，唯一能够表征非电接触TSVs内衬厚度和均匀性的测量技术是横截面透射电子显微镜（TEM）。然而，由于这种方法的破坏性，它不适合线上计量，这给计量学带来了新的挑战。

最近，比利时微电子研究中心（IMEC）和日本大阪大学的研究人员报道了一种TSVs的表征方法，该方法基于检测TSVs内衬界面的激光诱导太赫兹辐射，为无损和非接触过程计量提供了机会。研究团队利用飞秒激光脉冲在TSVs耗尽场中激发瞬态电偶极子，观察到太赫兹辐射。检测到的太赫兹波形提供了关于局部耗尽场的信息，从而提供了关于绝缘膜的结构信息。通过对太赫兹脉冲进行飞行时间测量，还可以提取硅片厚度等信息。相关研究成果以“Characterization of through-silicon vias using laser terahertz emission microscopy”发表于Nature Electronics上。

图10. TSVs中激光诱导的太赫兹发射

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https://www.nature.com/articles/s41928-021-00559-z

文字|科研与产业部战略研究办

编辑|综合管理部文宣办