納米電介質電-熱特性專題編者按

21 世紀以來,我國經(jīng)濟社會持續(xù)快速發(fā)展,電力和電氣化需求進入了高速增長期,這前所未有地使介電材料成為世界舞臺上的焦點.介電材料是電容器、電力電子、微電子、嵌入式集成電路、電纜和發(fā)電機等的關鍵組成部分.其中,納米電介質屬于一類“具有納米結構的多組分電介質材料”,自1994 年Lewis 教授首次提出納米電介質理論以來,在近三十年的時間里發(fā)展迅猛且被譽為“未來的絕緣材料”.納米介電工程的出現(xiàn),推動了電工絕緣與微(光)電子器件絕緣材料的創(chuàng)新性發(fā)展.具有先進介電功能的納米電介質材料的開發(fā)是驅動國家能源戰(zhàn)略實施、維護電網(wǎng)系統(tǒng)運行及國家安全的重中之重.

當下,器件的微型化、集成化極大地帶動了以集成電路為代表的微電子制造業(yè)的發(fā)展.但是,器件的高集成度必然伴隨著高的功耗和發(fā)熱,導致電介質材料出現(xiàn)嚴重變形、老化、損傷、碳化,極大地破壞電工裝備及封裝等的穩(wěn)定性和可靠性.此外,高場下絕緣系統(tǒng)中空間電荷的積聚會引起局部電場畸變,加快絕緣老化甚至造成電擊穿,產生嚴重的電氣事故.而納米電介質的介于宏觀和微觀之間界面區(qū)域的電介質行為,具有獨特的時空多層次結構和優(yōu)良的性質,在提高設備效能、縮小部件尺寸、節(jié)約能源和材料等方面效果顯著.對于一些特定的領域,如特高壓輸電、高性能電機中的主絕緣材料、薄膜電容器中的儲能材料、微電子行業(yè)中的低介電材料、電子設備中的導熱材料,必須利用納米電介質才能達到所需的性能指標.因此,為滿足微電子、電力電氣行業(yè)快速發(fā)展的需求,研究在多物理場下具有優(yōu)異電-熱輸運特性的納米電介質材料具有重要意義.

近年來,基于量子/尺寸效應、密度泛函、有限元模擬等理論方法,輔以新材料設計理念,科研人員通過研究納米電介質的微觀特殊結構、獨特的表面化學和宏觀界面工程逐步實現(xiàn)了對納米電介質的電老化性能、短期擊穿增強、介電、儲能、導熱等電-熱特性的協(xié)同優(yōu)化和提高.然而,目前關于納米電介質材料電熱特性的綜合調控仍處于開發(fā)的初級階段,納米電介質的智能化轉型與多功能化發(fā)展速度也相對遲緩.

為進一步提升納米電介質研究領域的影響力,推動本領域專家學者的溝通與交流,《物理學報》組織出版“納米電介質電-熱特性”專題,重點關注納米電介質電-熱特性調控,從理論分析、材料設計及計算學等多角度介紹本領域的最新研究進展和未來發(fā)展趨勢.鑒于納米電介質電-熱特性涉及物理、材料、電氣等多學科的交叉,研究方向豐富,本專題只能重點介紹其中的部分研究成果,包括:納米電介質物化特性,納米電介質界面與表面,組成、結構與性能,納米電介質智能化與多功能化(高/低介電、導熱絕緣等),電介質測試、計算與模擬,納米電介質材料應用等,與讀者和同行共享.