納米電介質電-熱特性專題編者按

21 世紀以來,我國經濟社會持續快速發展,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展迅猛且被譽為“未來的絕緣材料”.納米介電工程的出現,推動了電工絕緣與微(光)電子器件絕緣材料的創新性發展.具有先進介電功能的納米電介質材料的開發是驅動國家能源戰略實施、維護電網系統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的發展.但是,器件的高集成度必然伴隨著高的功耗和發熱,導致電介質材料出現嚴重變形、老化、損傷、碳化,極大地破壞電工裝備及封裝等的穩定性和可靠性.此外,高場下絕緣系統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域的電介質行為,具有獨特的時空多層次結構和優良的性質,在提高設備效能、縮小部件尺寸、節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、電力電氣行業快速發展的需求,研究在多物理場下具有優異電-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-熱特性的協同優化和提高.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的初級階段,納米電介質的智能化轉型與多功能化發展速度也相對遲緩.

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.