1 热管理材料

1、Nano Lett.：聚合物层间氮化硼纳米管接触热阻的双向调制

在需要快速散热的应用中，提高聚合物复合材料的导热系数可以提高其性能表现。该领域一个长期存在的问题是纳米填料之间的接触热阻，其对复合材料的热性能起到关键作用。

最近，美国范德堡大学的研究人员通过对有/无PVP夹层的不同直径氮化硼纳米管（boron nitride nanotubes，BNNT）之间的接触热阻进行了系统研究，发现裸BNNT之间的接触热阻很大程度上取决于弹道声子反射。有趣的是，研究发现PVP夹层可以提高或降低接触热阻，这是将弹道声子主导的输运转化为通过PVP层的扩散的结果。这些结果揭示了先前未被认识的BNNT之间接触处热传输的物理图像，为高导热BNNT-聚合物复合材料的设计提供了依据。相关研究工作以“Bidirectional Modulation of Contact Thermal Resistance between Boron Nitride Nanotubes from a Polymer Interlayer”为题发表于Nano Lett. 上。

图1. 聚合物层间氮化硼纳米管接触热阻的双向调制

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02504

2、ACS Appl. Mater. Interfaces：用于超宽带隙电子器件热管理的SiC上Ga2O3复合晶圆

β相氧化镓（Ga2O3）是一种新兴的超宽带隙半导体（EG~4.8 eV），与当今基于GaN和SiC的商用宽带隙功率电子器件相比，它在性能和制造成本方面有望实现代际改进。然而，散热问题是Ga2O3器件性能提升和商业化的主要瓶颈。

最近，美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员报道了一种新型的具有高传热性能和“开盒即用（epi-ready）”表面光洁度的Ga2O3/4H-SiC复合晶圆，采用熔合-键合方法制成。利用低温金属有机气相外延技术，在复合晶圆上成功生长了Ga2O3外延层，同时保持了复合晶圆的结构完整性而不会造成界面损伤。在600℃的生长温度下，可获得室温霍尔迁移率为~94 cm2/Vs，体积电荷为~3×1017 cm-3的原子级平滑同质外延薄膜。研究团队利用扫描透射电子显微镜、频域热反射和微分稳态热反射方法对Ga2O3/4H-SiC界面上的声子输运进行了分析，发现界面处的声子输运主要取决于SiNx键合层的厚度和意外形成的SiOx中间层。通过时域热反射研究了影响Ga2O3层（厚度6.5 μm）热导率的非本征效应，结合热模拟估计了在复合衬底上制造的单指（single-finger）Ga2O3金属-半导体场效应晶体管的热性能改善。结果表明，器件热阻可降低~4.3倍。此外，将复合晶圆应用于实际多指器件的设计可获得更显著的冷却效果。这一研究为超宽带隙半导体材料在器件级热管理中的应用带来了希望，这将导致电力电子设备的功率密度和效率比当前最先进的商业设备有显著提高。相关研究工作以“Ga2O3-on-SiC Composite Wafer for Thermal Management of Ultrawide Bandgap Electronics”发表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

图2. 用于超宽带隙电子器件热管理的SiC上Ga2O3复合晶圆

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c0973

2 电磁屏蔽材料

J. Mater. Chem. C：一种原位合成具有双耦合作用、优异毫米波吸收性能的复合材料的简便方法

众所周知，硬/软磁交换耦合和铁电-铁磁耦合都能促进微波吸收。BaZrxFe12-xO19/Fe3O4/BaZrO3复合材料可以集成这两种耦合作用的优点，然而，由于抗氧化程度不同，原位合成BaFe12O19/Fe3O4仍然是一个挑战。

近日，南京航空航天大学的研究人员及其合作者巧妙地利用石墨烯在高温下的还原性，通过水热合成加后续600℃的热处理，成功原位制备了BaZrxFe12-xO19/Fe3O4/BaZrO3复合材料。体系中硬/软磁交换耦合相互作用和铁电-铁磁耦合的协同效应导致了良好的阻抗匹配和衰减特性，使得该复合材料在1.00 mm的极薄厚度下，获得了超过7.36 GHz（32.64-40.00+GHz）的吸收宽带和-25.4 dB的强反射损耗，从而可以有效衰减35 GHz大气窗口周围的毫米波。该策略为设计性能优异的毫米波吸收材料提供了一条新颖而简便的途径。相关研究内容以“A novel and facile route to in-situ formation of composites withdual coupling interactions for considerable millimeter-wave absorption performance”发表于J. Mater. Chem. C上。

图3.样品的毫米波吸收性能及与文献值的对比

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https://doi.org/10.1039/D1TC03398K

3 电介质材料

Mater. Chem. Frontiers：腈和Jeffamine结构基元对可拉伸高k纯聚酰亚胺材料的协同效应

不断扩展的电子应用对具有集成功能的聚合物材料开发提出新的需求，其中采用简便有效的合成方法获得具有优异热稳定性、拉伸性和表面粘附性的高k聚酰亚胺电介质材料受到关注。

最近，罗马尼亚彼得鲁庞尼高分子化学研究所的研究人员报道了一种利用高极性腈和Jeffamine链段的协同效应来制备非晶态半互穿聚合物网络（semi-interpenetrating polymer networks，SIPN）的方法。这种SIPN薄膜具有韧性和高拉伸性，断裂时的最大应变为516%，同时在相互接触或与其他材料接触时具有自粘性。含腈段的合理结构变化使得介电常数在106 Hz时达到19，这是迄今为止报道的纯聚酰亚胺材料的最高介电常数值之一。由此得到的SIPN显示出高达220V/µm的击穿强度和1.092J/cm3的储能密度。对这些全有机高k聚合物电介质的分子动力学和载流子导电性的新见解有望为可拉伸电子器件的设计开发奠定基础。这一研究工作以“The synergistic effect of nitrile and jeffamine structural elementstowards stretchable and high-k neat polyimide materials”发表于Mater. Chem. Frontiers上。

图4. 击穿强度的Weibull分布

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https://doi.org/10.1039/D1QM00643F

4 热电材料

1、Nature Communications：低热导率Pb7Bi4Se13中嵌套导带收敛实现高热电性能

由于低热电效率，硫铋铅矿材料长期被忽视。

近日，新加坡南洋理工大学的研究人员及其合作者报道了在Pb7Bi4Se13基硫铋铅矿材料中发现的优异热电性能，其800 K下的最大热电优值达到1.35，在450-800 K温度范围内的平均zT值为0.92。研究团队建立了一个独特的品质因子来预测和评估热电性能，它同时考虑了能带非抛物性和带隙，这在传统的品质因子中通常被忽略不计。优异的热电性能可归因于有效嵌套导带的收敛，提供了大量的谷简并度和低热导率，其起源于大的晶格非谐性、低频爱因斯坦局域模以及高密度莫尔条纹和纳米级缺陷的共存。这项工作证实基于Pb7Bi4Se13的硫铋铅矿材料是高效热电转换的理想候选材料。相关研究以“Highthermoelectric performance enabled by convergence of nested conduction bands in  Pb7Bi4Se13 with low thermal conductivity”发表于Nature Communications上。

图5. 热电性能：（a）电导率；（b）Seebeck系数；（c）总热导率；（d）无量纲热电优值zT

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https://www.nature.com/articles/s41467-021-25119-z

2、J. Phys. Chem. Lett.：强耦合层间材料中电输运和热输运的解耦

热电材料能够实现热电转换，对于半导体器件的热管理至关重要。实现高热电性能需要阻断热传输并保持高电子传输，但同时满足这两个条件是一个挑战。

最近，中国科学院半导体超晶格国家重点实验室的研究人员发现调整层间距离可以有效地调节电导热和热导率，具有适当层间距离的IV-VI和V族半导体可以表现出高热电性能。以SnSe为例，在面外方向上，离域pz轨道结合相对较小的层间距离，导致反键态波函数重叠，这有利于高电子输运。然而，由于化学键的断裂，面外热导率很小。这项研究提供了一种在不增加热导率的情况下提高电导率的策略，从而为热电器件的设计提供了新的依据。该研究工作以“Decoupling of the Electrical and Thermal Transports in Strongly Coupled Interlayer Materials”发表于J. Phys. Chem. Lett.上。

图6. 强耦合层间材料中电输运和热输运的解耦

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https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c01783

3、Adv. Mater.：优化电子品质因数实现高性能Ge1-x-yTaxSbyTe热电材料——过渡金属掺杂的作用

由于多波段谷电子技术可实现较高的本征热电优值，GeTe基热电材料在中温应用中前景广阔。过渡金属被广泛用作开发高性能GeTe热电材料的掺杂剂。

最近，澳大利亚昆士兰大学的研究人员发表研究论文，建立了GeTe过渡金属掺杂、电子品质因子和热电优值之间的相关性。从第一性原理计算中发现，Ta作为GeTe中尚未发现的掺杂剂，可以有效地在轻导带和重导带极值之间使能量偏移收敛，从而提高高温下的有效质量。经Ta掺杂后合成的Ge1-x-yTaxSbyTe样品在775 K的Seebeck系数从160 μV K-1增大至180 μV K-1，证实了这种策略的有效性。在合金化Sb后，Seebeck系数继续增大到220 μV K-1。电子显微镜揭示了与Ta掺杂引起的多尺度晶格缺陷相关的独特的人字形结构，这大大阻碍了声子传播，降低了热导率。最终，在Ge0.88Ta0.02Sb0.10Te样品中获得了2.0的热电优值，在400 K的温度梯度下最大热电效率高达17.7%。这一研究为高性能GeTe基热电材料的探索指出了新的方向。该研究工作以“Optimizing Electronic Quality Factor toward High-Performance Ge1-x-yTaxSbyTe Thermoelectrics: The Role of Transition Metal Doping”发表于Adv. Mater.上。

图7. Ge1-x-yTaxSbyTe材料的热电性能

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https://doi.org/10.1002/adma.202102575

4、J. Am. Chem. Soc.：具有高热电性能的立方AgMnSbTe3半导体  

MnTe是一种p型硫系半导体，室温下直接带隙为1.3 eV，间接带隙为0.8 eV，作为一种无铅替代品，在热电领域引起了越来越多的关注。然而，由于载流子浓度低、空穴迁移率低，导致原始MnTe的导电性较低，这严重限制了其热电性能。

近日，华中科技大学的研究人员及其合作者报道了MnTe与AgSbTe2在等摩尔比（ATMS）下进行反应可获得一种新型半导体材料AgMnSbTe3。AgMnSbTe3是一种p型半导体，其光学带隙较窄，为~0.36 eV。对分布函数（pair distribution function）分析表明，局域畸变与晶格中Ag原子的位置有关。密度泛函理论计算表明体系中存在一种特殊的具有多峰价带极大值的电子能带结构，其倾向于能量收敛。此外，Ag2Te纳米晶粒在AgMnSbTe3的晶界处析出。AgMnSbTe3和Ag2Te之间价带边的能量偏移为~0.05 eV，这意味着Ag2Te析出对空穴传输的影响可以忽略不计。因此，这种材料在823 K时表现出~12.2 μW cm–1K–2的高功率因数，~0.34 W m–1 K–1的超低晶格热导率，1.46的最大热电优值ZT，以及400–823 K温度范围内的高平均ZT值（~0.87）。相关研究成果以“Cubic  AgMnSbTe3 Semiconductor with a High Thermoelectric Performance”发表于J. Am. Chem. Soc.上。

图8. 具有高热电性能的立方AgMnSbTe3半导体

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https://doi.org/10.1021/jacs.1c07522

5 先进封装

1、 IEEET. Comp. Pack. Man.：扇出型三维封装模型的散热推导与优化

扇出型（FO）封装的散热是先进电子封装的主要问题。由于FO封装结构复杂，计算耗时长，因此利用FO封装的实际几何结构来表征其热性能是一个挑战。

近期，江苏师范大学的研究人员基于等效材料原理建立了简化的FO模型，并通过有限元仿真验证了FO数学模型的正确性。在此基础上，建立了FO封装热阻网络（FO-TRN）来评估封装的热性能，并通过有限元仿真验证了该网络的有效性和准确性。通过有限元模拟和FO-TRN计算，研究了RDL的临界尺寸（critical dimension，CD）、塑封材料的导热系数和PCB面积的影响。结果表明，RDL的CD越小，FO封装的热阻越大，而塑封料的高导热性和大的PCB面积有利于散热。这种简化的FO模型和FO-TRN对于热特性描述和管理是可行且有效的。该研究工作以“Heat Dissipation Derivation and Optimization of the Fan-out 3D Package Model”发表于IEEE T. Comp. Pack. Man.上。

图9. FO封装结构示意图

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DOI: 10.1109/TCPMT.2021.3103098

2、IEEET. Comp. Pack. Man.：基于近场扫描的系统级封装屏蔽效能分析

由于小型化和高集成度的要求，电磁干扰（electromagneticinterference，EMI）问题对系统级封装（System-in-package，SiP）至关重要。通常采用屏蔽方法来保护SiP免受电磁干扰，关键性能评价指标是屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）。

近日，浙江大学的研究人员及其合作者采用近场扫描法对SiP的SE进行了评估。通过对比分析利用最大近场值和平均近场值导出的SEs，发现无屏蔽和屏蔽SiP近场模式的差异可能导致使用最大场值方法对SE的高估。仿真和测量结果均表明，SiP与印刷电路板（PCB）之间的间隙将显著改变屏蔽SiP的辐射方向图，从而对SE产生很大影响，尤其是当频率高于1GHz时。然而，基于平均近场的SE和从辐射功率导出的SE之间表现出良好的相关性。本研究揭示了SiP的近场屏蔽特性，有助于建立和分析不同方法（包括近场扫描、横向电磁室和混波室）测量的SEs之间的相关性。相关研究工作以“Near-Field Scanning based Shielding Effectiveness Analysis of System in Package”发表于IEEE T. Comp. Pack. Man.上。

图10. 6 GHz下（a）无屏蔽和（b）屏蔽SiP的切向磁场分布测量结果

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DOI: 10.1109/TCPMT.2021.3096148

文字 | 科研管理办

编辑 | 公共关系与宣传办