介電材料的案例
中科院納米能源所王杰&王中林團(tuán)隊(duì)《JMCA》：基于介電材料選擇和表面電荷工程的抗高濕度摩擦電納米發(fā)電機(jī)
作為一種革命性的能量收集技術(shù)，摩擦電納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanogenerator，簡(jiǎn)稱TENG）不僅提供了一種可持續(xù)、分布式能源供給技術(shù)，而且構(gòu)建了無需外部電源的自供電系統(tǒng)，具有成本低、質(zhì)量輕、材料選擇廣、低頻下轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)。然而，高濕環(huán)境中水分子形成的導(dǎo)電通路引起的表面電荷耗散，顯著降低TENG的輸出性能，從而影響其能量收集和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。課題組前期通過電荷快速積累技術(shù)(Advanced Energy Materials, 2021, 2100050)及雙電容增強(qiáng)技術(shù)(Advanced Energy Materials, 2021, 2101958)，已顯著提升TENG高濕環(huán)境下輸出性能。但環(huán)境濕度對(duì)TENG表面電荷的影響機(jī)制尚不清楚。因此，需要一種有效的策略來提高TENG在高濕環(huán)境下的輸出性能，并進(jìn)一步研究高濕環(huán)境下表面電荷的衰減機(jī)理。
近日，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王杰研究員與王中林院士領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)提出通過介電材料選擇和表面電荷工程，提出了一種新型抗高濕度TENG。以接觸-分離模式TENG為測(cè)量工具，系統(tǒng)地研究了相對(duì)濕度對(duì)常用介電材料表面電荷衰減的影響。結(jié)果表明，介電材料表面剩余電荷量隨介電材料疏水性的增加而增加，高濕環(huán)境下更為明顯。此外，表面電荷的衰減與電荷種類有關(guān)，濕度條件下離子電荷比電子電荷更穩(wěn)定。通過耦合高疏水介電材料聚四氟乙烯和離子注入法，TENG在90%相對(duì)濕度的極端環(huán)境下連續(xù)運(yùn)行50000次，仍保持了高達(dá)91%的輸出性能。
展開 《先進(jìn)功能材料》智能介電彈性體驅(qū)動(dòng)器：電場(chǎng)與力學(xué)自愈合
介電彈性體由于具有質(zhì)量輕，柔韌性好，高能量密度以及響應(yīng)迅速等優(yōu)良特性，在驅(qū)動(dòng)器，軟體機(jī)器人，電子皮膚，人工肌肉，能量采集等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。常規(guī)驅(qū)動(dòng)電壓一般 > 1kV，容易使材料發(fā)生介電擊穿，同時(shí)材料在使用時(shí)不可避免地產(chǎn)生內(nèi)部局部損傷,也會(huì)導(dǎo)致材料失效從而縮短使用壽命。采用具有自愈功能的介電智能材料，能使其自發(fā)進(jìn)行自我修復(fù)，從而延長(zhǎng)電容器使用壽命。
英國(guó)華威大學(xué) (University of Warwick)的Chaoying Wan 課題組 (通訊作者)及其博士生Chris Ellingford聯(lián)合英國(guó)巴斯大學(xué)(University of Bath)的張妍博士(Yan Zhang, 第一作者)和 Chris Bowen教授等研究人員，通過一步法改性商品化熱塑性彈性體，制備了一種具有高介電和自愈合功能的新型彈性體材料，首次報(bào)道了其電學(xué)與機(jī)械(圖１)自愈合能力以及驅(qū)動(dòng)性能，研究成果近期發(fā)表在Advanced Functional Material上。
圖１MGSBS的力學(xué)損傷及其修復(fù)過程。
自愈后的材料在“傷口”界面處有一定的雜質(zhì)或空氣，當(dāng)對(duì)材料施加電壓時(shí)，電場(chǎng)會(huì)在這些低介電常數(shù)的區(qū)域集中，使得愈合后的材料在發(fā)生介電擊穿時(shí)依然在這些“傷口”區(qū)域，如圖2的模擬結(jié)果所示。將材料在33 %進(jìn)行預(yù)拉伸制成介電驅(qū)動(dòng)器，其驅(qū)動(dòng)性能結(jié)果顯示經(jīng)介電擊穿后并自我修復(fù)完的材料有67 %的恢復(fù)水平，經(jīng)力學(xué)損傷后并自我修復(fù)完的材料具有損傷前材料介電強(qiáng)度的39 %，如圖3。
圖2自愈合聚合物材料介電失效的有限元分析
圖3 基于MGSBS介電聚合物材料的驅(qū)動(dòng)器及其自愈合能力
研究報(bào)告發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》雜志。
展開 Rev.》綜述: 儲(chǔ)能電容器用全有機(jī)聚合物介電材料的進(jìn)展與展望
圖2 論文目錄
本綜述首先介紹了薄膜電容器介電材料的相關(guān)理論基礎(chǔ)，包括極化、擊穿機(jī)理以及介電損耗；然后詳解介紹了從材料到器件的大規(guī)模制備流程；接著總結(jié)了儲(chǔ)能電容器領(lǐng)域基于全有機(jī)聚合物材料的最新研究，從本征聚合物、分子鏈改性聚合物、多相聚合物角度入手，重點(diǎn)關(guān)注提高介電性能和儲(chǔ)能性能的策略；最后回顧了計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算，包括密度泛函理論、機(jī)器學(xué)習(xí)和材料基因組等，在聚合物電介質(zhì)的合理設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用。基于對(duì)近期該領(lǐng)域研究進(jìn)展的全面總結(jié)，作者提出了用于儲(chǔ)能電容器用的全有機(jī)聚合物介電材料未來發(fā)展的挑戰(zhàn)與展望。
圖3 存在的挑戰(zhàn)和未來的展望
該論文第一作者為清華大學(xué)博士生馮啟琨，通訊作者為清華大學(xué)電機(jī)系黨智敏教授，其他合作者還包括清華大學(xué)電機(jī)系博士后鐘少龍、清華大學(xué)電機(jī)系博士生裴家耀、鄭州大學(xué)電氣學(xué)院講師趙玉、清華大學(xué)電機(jī)系博士后張冬麗、清華大學(xué)電機(jī)系博士生劉荻帆和清華大學(xué)電機(jī)系博士生張涌新。《Chemical Reviews》于1924年由美國(guó)化學(xué)會(huì)（American Chemical Society）發(fā)行, 是國(guó)際化學(xué)化工領(lǐng)域影響力最高的學(xué)術(shù)期刊之一，2020年影響因子為60.622，在化學(xué)類期刊中排名第一。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃基金和國(guó)家自然科學(xué)基金支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00793
作者簡(jiǎn)介：
馮啟琨，清華大學(xué)電機(jī)系2019屆博士生，導(dǎo)師為黨智敏教授，主要從事高儲(chǔ)能電容器用薄膜電介質(zhì)以及先進(jìn)絕緣材料的研究，已在Compos. Sci. Technol., Appl. Phys.
展開 四川大學(xué)傅強(qiáng)教授和韓迪博士團(tuán)隊(duì)AFM：基于POSS的超低介電常數(shù)材料——籠子大小的影響
圖2 c-T8B8、c-T10B10和c-T12B12三種材料相應(yīng)的POSS籠體積和介電常數(shù)之間的關(guān)系以及基于更大尺寸的T14、T16和T18 POSS的材料的介電常數(shù)預(yù)測(cè)值
研究發(fā)現(xiàn)隨著POSS籠子尺寸的增加，材料的k值和損耗都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（c-T8B8、c-T10B10和c-T12B12在1 MHz時(shí)的k值分別2.24、2.02和1.83，損耗分別為0.003，0.0018和0.0015）。正電子湮滅壽命譜證明增大POSS籠子尺寸能賦予材料更多的孔隙（圖3），這也是k值降低的主要原因。有趣的是，該體系中材料的k值與相應(yīng)POSS的體積呈現(xiàn)線性關(guān)系（如圖2所示）。可以預(yù)見的是，使用更大籠子尺寸的T14、T16和T18 POSS有望將材料的k值降低到1.5以下。此外，所得材料還呈現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，如高透明性、低表面粗糙度（圖4）、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能、疏水性，即使在水中浸泡3天或在300℃高溫下，這些材料依然能維持優(yōu)異的介電性能（圖5）。本項(xiàng)工作不僅為綜合性能優(yōu)異的超低介電常數(shù)材料的開發(fā)提供了新的思路，也為未來集成電路用超低介電常數(shù)材料提供了備選。
展開 
【科普系列】電磁波的“克星”—介電損耗型吸波材料
因此, 科研工作者一直致力于研究具有耐高溫、低密度、高強(qiáng)度、高韌性等優(yōu)良性能的吸波材料。這使得介電損耗型吸波材料在電磁波吸收領(lǐng)域飛速發(fā)展。
介電損耗性吸波材料有哪些?
介電損耗型吸波材料一般是由高導(dǎo)電性碳質(zhì)納米粒子、介電陶瓷納米粒子和金屬半導(dǎo)體氧化物組成各種混合型納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，復(fù)合后可產(chǎn)生額外的界面相互作用，且氧空位的存在會(huì)引起界面極化和缺陷偶極子，從而使材料表現(xiàn)出更大的介電損耗和高效的微波吸收，同時(shí)降低了吸波劑的密度。
01碳基吸波材料
碳基吸波材料因其具有表面性能可調(diào)﹑高強(qiáng)度質(zhì)量比、超強(qiáng)耐腐蝕性能、超薄結(jié)構(gòu)特性、超高載流子遷移率(～200000 cm2? v-1? s-1 )、高的導(dǎo)熱系數(shù)(～5300 W?m-1? K-1)等優(yōu)勢(shì), 使其備受國(guó)內(nèi)外科研人員的關(guān)注。碳材料通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)造界面層次來提高材料的吸波性能 (例如:碳納米管從單壁到多壁甚至于可垂直排列的陣列) 進(jìn)而滿足部分設(shè)備需求, 但是材料本身存在一定的缺陷和不足, 以至于應(yīng)用受到限制。
展開 曼大《Science》子刊：材料介電函數(shù)的自洽性，精確計(jì)算范德華力！
通常的誤差，來自于不準(zhǔn)確的估計(jì)介電函數(shù)，其基于單諧振子來解釋光的紫外(UV)區(qū)域的吸收波段。
基于此，研究者提出了一個(gè)計(jì)算55種材料卡西米爾- vdw力所需的全頻范圍內(nèi)的介電函數(shù)的理論框架，包括各種金屬，半導(dǎo)體和絕緣體，有機(jī)和無機(jī)等。研究者利用光和規(guī)則和Kramers-Kronig關(guān)系，驗(yàn)證了編譯數(shù)據(jù)的內(nèi)部一致性。與此同時(shí)，研究者證明了基于這些數(shù)據(jù)計(jì)算的vdW力與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的vdW力非常吻合。
圖1 水的介電函數(shù)。
圖2 改進(jìn)的諧振子模型。
圖3 用改進(jìn)的諧振子建立半導(dǎo)體和絕緣體介電函數(shù)的電子部分的模型。
圖4 金屬中卡西米爾- vdw力大小的分析。
圖5 Casimir-vdW力的測(cè)量與計(jì)算比較。
綜上所述，研究者通過對(duì)大量不同材料的自洽介電函數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，引入了一種新的經(jīng)驗(yàn)修正諧振子模型。這種改進(jìn)的模型可以預(yù)測(cè)只有四個(gè)輸入的半導(dǎo)體和絕緣體的電子極化：電子介電常數(shù)，光學(xué)帶隙，密度和化學(xué)成分。基于改進(jìn)模型計(jì)算的估計(jì)力，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的Casimir-vdW力非常吻合。在金屬的例子中，研究者的分析表明，一旦系統(tǒng)中載流子與總電子的比例變小，帶間躍遷對(duì)vdW-Casimir力大小的作用就變得至關(guān)重要。（文：水生）
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實(shí)用！
展開 介電彈性體人工肌肉Acc. Chem. Res.綜述：材料創(chuàng)新和器件探索
目前尚不清楚哪種材料最終會(huì)形成理想的人造肌肉。從形狀記憶合金（SMA），到氣動(dòng)制動(dòng)器，再到電活性聚合物（EAP）都可能實(shí)現(xiàn)人造肌肉目標(biāo)的核心。其中，EAP是和天然生物材料最為接近的人造材料，它們包括離子注入和基于電場(chǎng)的致動(dòng)機(jī)制。
【成果簡(jiǎn)介】
在EAP的領(lǐng)域中，最主要的研究方向是介電彈性體（DEs），它們應(yīng)變大、斷裂韌性和功率重量比與天然肌肉相近。雖然介電彈性體致動(dòng)器（DEAs）在過去的20年里展現(xiàn)了巨大潛力。如何解決圍繞DEA的核心問題，包括改善其在溫度和電壓方面的操作范圍，為材料添加新功能，以及提高它們所依賴的組件的可靠性。
近日，加州大學(xué)洛杉磯分校的裴啟兵教授（通訊作者）在Acc. Chem. Res.上發(fā)表了一篇題為 “Dielectric Elastomer Artificial Muscle: Materials Innovations and Device Explorations” 的綜述文章，涵蓋了該課題組和其他人在相關(guān)領(lǐng)域的重要研究。同時(shí)，本文還討論了可變剛度聚合物，特別是雙穩(wěn)態(tài)電活性聚合物，對(duì)于軟驅(qū)動(dòng)器技術(shù)通常無法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用的開放式DEA，探索了與高度柔順和透明電極相關(guān)的科技進(jìn)步。最后，文章介紹了應(yīng)用前景及當(dāng)前DEA技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，并推測(cè)可能進(jìn)一步推進(jìn)基于DE的人工肌肉整體的研究方向。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 DEA的工作原理示意圖
DEA由夾在兩個(gè)柔性電極之間的彈性體組成，當(dāng)施加電壓時(shí)，發(fā)生電荷分離并在膜上引起靜電壓力，這會(huì)使薄膜變形，增加其面積并減小其厚度。
圖2 VHB丙烯酸彈性體的驅(qū)動(dòng)性能。
展開 中國(guó)海洋大學(xué)史志成課題組AFM：設(shè)計(jì)了一種兼具高效率和高能量密度的非對(duì)稱三層全聚合物介質(zhì)復(fù)合材料
為了滿足電力電子設(shè)備的高度集成化發(fā)展，近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)介電材料的儲(chǔ)能密度提升開展了大量研究。然而，儲(chǔ)能密度的提升通常會(huì)導(dǎo)致充放電效率降低，成為限制高儲(chǔ)能密度介電材料發(fā)展的瓶頸。
近日，中國(guó)海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院史志成副教授課題組在前期線性/非線性介電雙層材料研究（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 5750-5757.）基礎(chǔ)上，通過在線性層和非線性層之間引入功能過渡層，設(shè)計(jì)了一種新型的非對(duì)稱三層結(jié)構(gòu)線性/非線性介電復(fù)合薄膜。非線性層的高極化提供了高儲(chǔ)能密度，而線性層的低損耗提供了高充放電效率，從而使三層薄膜可以獲得均衡的儲(chǔ)能密度和充放電效率。尤其是，過渡層的引入有效地緩和了線性層和非線性層之間的顯著介電性能差異，使電場(chǎng)重新分布，且層間界面對(duì)擊穿路徑擴(kuò)展會(huì)產(chǎn)生阻礙作用，從而獲得擊穿強(qiáng)度的顯著提升。結(jié)果表明，相對(duì)于不含過渡層的雙層薄膜，該三層薄膜在保持高充放電效率的同時(shí)，儲(chǔ)能密度提升了約一倍。該研究為兼具高儲(chǔ)能密度和高效率的介電復(fù)合材料提供了新的設(shè)計(jì)策略，成果以“Asymmetric Trilayer All-Polymer Dielectric Composites with Simultaneous High Efficiency and High Energy Density: A Novel Design Targeting for Advanced Energy Storage Capacitors”為題，發(fā)表在材料領(lǐng)域國(guó)際頂尖期刊《先進(jìn)功能材料》上（Advanced Functional Materials, 2021, IF2020=16.836）。
展開 ADEKA擴(kuò)大光刻膠方向光氧化發(fā)生劑產(chǎn)能！8月新產(chǎn)線開始稼動(dòng)
ADEKA集團(tuán)不僅繼續(xù)會(huì)擴(kuò)大銷售其主力產(chǎn)品一一存儲(chǔ)半導(dǎo)體方向高介電材料，同時(shí)也會(huì)繼續(xù)推進(jìn)其材料在邏輯半導(dǎo)體方向的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)成為全球頂尖半導(dǎo)體材料廠家的目標(biāo)。
（圖片來源：日本艾迪科株式會(huì)社官網(wǎng)）
關(guān)于ADEKA的光氧化發(fā)生劑“ADEKA ARKLS”系列
該系列產(chǎn)品是光刻膠的引發(fā)劑(Initiator)，為了在半導(dǎo)體光刻制程中形成細(xì)微線路，需要利用該系列產(chǎn)品與特定的光、電子線發(fā)生反應(yīng)形成氧。該系列材料被應(yīng)用于當(dāng)下最先進(jìn)的EUV曝光制程中，未來ADEKA將進(jìn)一步擴(kuò)大銷售。
關(guān)于ADEKA的信息?電子化學(xué)品事業(yè)部
ADEKA通過向半導(dǎo)體行業(yè)和顯示行業(yè)提供多類尖端材料，促進(jìn)ICT社會(huì)發(fā)展。其中，用于存儲(chǔ)半導(dǎo)體的高介電材料“ADEKA ORCERA”系列擁有全球第一的市占率。在中期經(jīng)營(yíng)計(jì)劃“ADX2023（2021年一2023年）”中，ADEKA將“新一代ICT相關(guān)業(yè)務(wù)”定位為核心業(yè)務(wù)之一，并力求大幅度擴(kuò)大業(yè)務(wù)規(guī)模。
ADEKA在“ADX2023”中提到，計(jì)劃三年內(nèi)對(duì)信息?電子化學(xué)品業(yè)務(wù)進(jìn)行95億日元（約人民幣4.86億元）設(shè)備投資，由于ADEKA的投資集中在了尖端半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，因此在2022年末，實(shí)際投資額已經(jīng)達(dá)到最初計(jì)劃的120%（含獲審批部分）。
展開 華中科大《Acta Materialia》：首次報(bào)道低于2K的巨介電弛豫行為
因此，尋找溫度和頻率穩(wěn)定性優(yōu)異的新型巨介電材料成為近年來的熱點(diǎn)，也成為我國(guó)攻克MLCC電子元器件卡脖子技術(shù)的一個(gè)突破口。在簡(jiǎn)單金屬氧化物中進(jìn)行給體受體摻雜，能夠形成電子釘扎缺陷偶極效應(yīng)，有望獲得溫度和頻率穩(wěn)定性優(yōu)異的巨介電行為。這類極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦途?em>介電材料得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。
近日，應(yīng)用材料類top期刊《Acta Materialia》在線發(fā)表了華中科技大學(xué)傅邱云教授、董文副研究員團(tuán)隊(duì)的題為“High-performance colossal permittivity behaviour persists to ultralow temperature in Co+Ta co-doped SnO2: A spin-defect mediated superstable large electronic moment of defect-dipole“的研究成果，首次報(bào)道了低于2K以下的非常規(guī)巨介電弛豫行為。董文副研究員為論文的第一作者，傅邱云教授為通訊作者。
文章鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421003451
圖1金屬氧化物巨介電材料體系在缺陷偶極冷凍溫度Tf通常伴隨著熱激發(fā)弛豫行為（TADR），本文報(bào)道了低于2K的缺陷偶極冷凍溫度Tf以及非常規(guī)TADR行為。
不同的摻雜體系表現(xiàn)出不同的巨介電弛豫行為和缺陷偶極冷凍溫度Tf（如圖1所示），對(duì)應(yīng)于不同的電子釘扎狀態(tài)。缺陷誘導(dǎo)新型巨介電材料的研發(fā)，需要更加深入地挖掘電子釘扎效應(yīng)機(jī)制和調(diào)控方法。目前大部分研究體系都是利用主族元素對(duì)簡(jiǎn)單金屬氧化物進(jìn)行給體受體共摻雜。電子釘扎效應(yīng)表現(xiàn)為缺陷能阱對(duì)電子的束縛，主要?dú)w功于庫(kù)倫作用。
展開 FEKO中剖分尺寸設(shè)置之一二
（二）散射問題（不含有許多精細(xì)結(jié)構(gòu)，磁性高損耗高介電材料的計(jì)算問題）
對(duì)于一般的散射問題（連續(xù)性較好的電大尺寸金屬或介質(zhì)散射體），比如介質(zhì)天線罩，電大尺寸金屬體的計(jì)算。由于沒有激勵(lì)源，也不存在復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)，電流變化相對(duì)舒緩，剖分尺寸設(shè)置為1/4~1/5空氣波長(zhǎng)，便能獲得很好計(jì)算精度，如圖所示為一個(gè)77GHz防撞雷達(dá)天線罩計(jì)算模型，其中藍(lán)色曲線和紅色曲線分別為按1/5波長(zhǎng)和1/10波長(zhǎng)進(jìn)行剖分后的方向圖計(jì)算結(jié)果，由圖可知：兩者方向圖吻合較好，說明即使處于天線輻射近場(chǎng)，天線罩按1/4~1/5空氣波長(zhǎng)進(jìn)行剖分，也可獲得較高的計(jì)算精度。
（三）散射問題（含有復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)或磁性高損耗高介電材料的計(jì)算問題）
對(duì)于含有大量復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)的計(jì)算（如周期性材料FSS等）以及含有磁性，高損耗，高節(jié)電的材料（如吸波材料等），電流變化較為劇烈，需要相應(yīng)的減小剖分尺寸。
（四）輻射問題
對(duì)于還有饋電結(jié)構(gòu)的輻射問題（如天線的計(jì)算），對(duì)于饋電結(jié)構(gòu)和輻射結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行精細(xì)剖分才能獲得較高的計(jì)算精度，而對(duì)于非輻射結(jié)構(gòu)部分可以采用粗剖分，其對(duì)計(jì)算精度影響較小。如圖所示為一微帶天線的剖分示意圖，下圖為對(duì)微帶輻射貼片分別采用1/8lam，1/10lam，1/20lam，1/24lam以及1/46lam尺寸進(jìn)行剖分后計(jì)算的結(jié)果，由圖圖可知：隨著剖分精度的提高，計(jì)算結(jié)果不斷變化，其中1/24lam剖分精度對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果與1/46lam的計(jì)算結(jié)果基本一致，說明計(jì)算結(jié)果基本基本收斂，計(jì)算精度可以保證。因此對(duì)于對(duì)于微帶饋電結(jié)構(gòu)和輻射貼片采用1/24介質(zhì)波長(zhǎng)（與自動(dòng)剖分中fine標(biāo)準(zhǔn)一致），方才獲得可以接受的計(jì)算精度，而對(duì)于貼片以外的介質(zhì)和金屬地則采用1/5空氣波長(zhǎng)，計(jì)算精度影響不大
展開 
產(chǎn)業(yè)研究｜聚酰亞胺：為什么要“低介電”？如何才能“低介電”？
2）制備工藝改進(jìn)：在材料本體內(nèi)部引入空氣（Dk≈1.0），即開發(fā)多孔型高分子材料。
3）復(fù)合改性：通過與其他低介電材料進(jìn)行復(fù)合改性，使得聚酰亞胺整體介電常數(shù)降低。
克服“效率下降”：LED亮度提高1000倍！
并且在亞微米級(jí)下，比以往任何電驅(qū)動(dòng)LED或激光像素高出100到1000倍。這種設(shè)計(jì)的進(jìn)一步改進(jìn)有望使新一代的高亮度LED和激光像素用于規(guī)模化的應(yīng)用。
這項(xiàng)工作由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的Babak Nikoobakht研究組聯(lián)合馬里蘭大學(xué)納米中心，倫斯勒理工大學(xué)，以及IBM 托馬斯 ·J· 沃森研究中心共同完成。
圖2左 “鰭式”LED 像素設(shè)計(jì)，包括發(fā)光的氧化鋅“鰭”（紫色）、隔離介電材料（綠色）和金屬觸點(diǎn)（黃色）
圖2右 鰭狀LED像素的線性陣列的光學(xué)圖像
圖源：Advanced science Vol. 6 Extended Data Fig.1&2
這是一個(gè)精妙絕倫的設(shè)計(jì)方案，研究人員在p型氮化鎵（GaN）外延鋪設(shè)了薄的“鰭”（氧化鋅（ZnO）細(xì)絲），并且在鰭片的每一側(cè)上都覆蓋一層薄薄的介電材料，并通過金屬電極反饋入驅(qū)動(dòng)電流，從而完成了LED組件。這些像素還可以組合成看起來像梳子一樣的亞微米級(jí)LED陣列，最多可產(chǎn)生發(fā)光功率20微瓦，與傳統(tǒng)的亞微米小型LED設(shè)計(jì)相比，新器件的亮度提高了約100到1000倍。
“鰭狀“LED設(shè)計(jì)者巴巴克 · 尼古巴赫（Babak Nikoobakht）說到：“這是制造 LED 的全新架構(gòu)，我們使用的材料與傳統(tǒng) LED 相同，區(qū)別在于它們的形狀不同。細(xì)長(zhǎng)的鰭片形狀和較大的側(cè)面可能會(huì)接受更多的電流。”
有趣的是：研究人員為了探索新設(shè)計(jì)的‘極限’，不斷加大電流，想辦法把它開到燒壞為止，但它總是越來越亮。
當(dāng)在實(shí)驗(yàn)中不斷加大電流時(shí)，他們的微型 LED 竟然變成了一個(gè)微小的激光器，研究者們認(rèn)為，在較高的電流密度和溫度下，載流子輻射復(fù)合效率足以應(yīng)對(duì)光損失，GaN上的ZnO鰭片可以充當(dāng)Fabry-Pérot腔，并允許在腔內(nèi)發(fā)生激光。
展開 3nm后的晶體管選擇
舉例來說，整合替代金屬閘極的步驟尤其繁復(fù)，因?yàn)閚型與p型元件需要用到具備不同功函數(shù)的金屬材料。
在2020年國(guó)際超大型集成電路技術(shù)研討會(huì)（VLSI）上，imec利用優(yōu)化的制程模塊，首度展示采用單片式CFET架構(gòu)的整合元件。
序列式CFET：通道可混合材料，但晶圓轉(zhuǎn)移難度高
序列式CFET制程包含多個(gè)模塊。首先會(huì)先從底部向上制造元件，直至接點(diǎn)，接著是運(yùn)用介電材料的晶圓接合技術(shù)（dielectric-to-dielectric wafer bonding），覆蓋一層未經(jīng)圖形化的半導(dǎo)體層，最后進(jìn)行頂部元件的整合，并連接上下閘極。整個(gè)過程在中段與后段制程完成。
就整合難度而言，序列式比單片式還要容易，因?yàn)槠涞撞颗c頂部元件能沿用傳統(tǒng)的「平面結(jié)構(gòu)」分別制造。序列式制程還有一大優(yōu)勢(shì)，就是提供n型與p型元件整合不同通道材料的彈性，進(jìn)而提升元件性能。例如，nMOS采用硅材，pMOS采用硅鍺或鍺，甚至是導(dǎo)入二硫化鎢（WS2）等二維材料。
然而，這些全新制程也帶來了一些特定挑戰(zhàn)，需要各自開發(fā)。第一個(gè)挑戰(zhàn)與晶圓之間的接合有關(guān)，也就是介電材料氧化層的厚度。如果設(shè)計(jì)得太厚，AC效能就會(huì)下降，這也與imec在2020年國(guó)際超大型集成電路技術(shù)研討會(huì)（VLSI）上的展示成果相符。相反地，氧化層若是太薄，就可能會(huì)造成接合缺陷，產(chǎn)生更多的孔洞。imec權(quán)衡兩種作法，已經(jīng)針對(duì)薄型氧化層開發(fā)了一套零孔洞的接合制程。
第二個(gè)問題是采用晶圓轉(zhuǎn)移制程時(shí)必須考量的熱預(yù)算限制。頂部元件制程的溫度必須降到500℃左右，避免損及底部元件。
展開 如何在 COMSOL 中建立線性和非線性光學(xué)模型
理解非線性光學(xué)材料的磁化率
當(dāng)給介電材料施加電磁場(chǎng)時(shí)，電磁場(chǎng)會(huì)將材料中的電子從其原始軌道上遷移，使電子以特定的頻率振蕩。換句話說，磁場(chǎng)使材料極化。在這種情況下，位移場(chǎng)用外加電場(chǎng)的函數(shù)表示，如下所示:
其中，E 是施加的電場(chǎng)矢量，P 是極化矢量，
是真空介電常數(shù)，
是各向同性磁化率。
對(duì)于
各向異性介電材料
，極化矢量是磁化率張量的函數(shù)，如下所示:
最后，對(duì)于非線性介電材料，感應(yīng)極化可以通過介質(zhì)的磁化率(
)表示為介質(zhì)內(nèi)電場(chǎng)的函數(shù)，并如下所示:
其中，E 是外加電場(chǎng)，ε0 是真空介電常數(shù)，
是一階磁化率。
假設(shè)不存在獨(dú)立于 E 的極化。
光學(xué)材料的一階磁化率
一階磁化率(
)涉及由束縛和自由載流子(如電子)的偶極振蕩引起的折射率變化。Hendrik Lorentz 最初提出了創(chuàng)建一個(gè)數(shù)學(xué)振蕩器模型的想法，該模型可以將束縛電子的偶極振蕩與材料的磁化率聯(lián)系起來。Paul Drude 提出了半導(dǎo)體內(nèi)部振蕩的概念，這種振蕩處理的是材料內(nèi)部的自由載流子。結(jié)合了束縛載流子和自由載流子效應(yīng)的新模型被稱為 Drude-Lorentz< 模型。
在 COMSOL Multiphysics? 中，Drude-Lorentz 模型可用于定義材料的相對(duì)介電常數(shù)。要定義 Drude-Lorentz 模型，需要將高頻下的相對(duì)介電常數(shù)、等離子體頻率、共振頻率和阻尼系數(shù)作為輸入給出，如下所示。在分配每個(gè)振蕩器的貢獻(xiàn)時(shí)，也可以添加多個(gè)振蕩器。
其中，εr 是材料的復(fù)相對(duì)介電常數(shù)，ε∞ 是帶間躍遷對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)，ωp 是等離子體的頻率，Γ 是阻尼系數(shù)。
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