基于納米復合的超低介電材料.pdf

1、隨著微電子工業(yè)的飛速發(fā)展，電子器件和集成電路正向著小型化、高密度化發(fā)展。元件密度和功能的不斷提升對低介電技術提出了更多更高的要求。向材料中引入納米孔洞可以降低介電常數(shù)（k），但k每降低0.1，至少需引入10％左右的孔隙率，因此達到超低介電往往需引入大量孔洞結構，犧牲材料的力學性能。近幾十年來，納米復合作為聚合物材料的改性手段，已經得到了廣泛的應用。納米復合的突出特點是可通過極小含量的納米粒子顯著改變聚合物的力學、熱學、光學、電學等性質，

2、其內在作用機制是通過納米粒子大比表面積和強界面作用，誘導聚合物鏈在納米粒子表面排列，產生受限作用，從而極大程度地改變聚合物性質。納米復合的這一效應有望在調控低介電性質上發(fā)揮重要作用，同時相對于傳統(tǒng)的化學或者多孔方法，納米復合技術制備低介電材料還可進一步提高材料力學性能，也更為簡單、高效，展現(xiàn)出顯著的性能優(yōu)勢?；谏鲜鏊悸?，本課題采用幾個典型的納米復合體系，研究了納米復合效應對材料低介電性能的影響并得到了超低介電常數(shù)（k=1.77）、低損

3、耗（10-3）的納米復合材料。
　　以典型的納米復合體系，線性低密度聚乙烯（PE）/二氧化硅納米粒子（SNP）復合材料，為研究對象，研究納米復合對介電性能的影響。采用直徑為20 nm的SNP作為納米填料粒子，通過熱壓成型復合得到一系列不同二氧化硅體積含量的納米復合材料（PE/SNP）。介電測試發(fā)現(xiàn)，當二氧化硅體積含量為3.58%，復合材料的介電常數(shù)從2.43降低到k=1.93（10MHz），在這一測試頻率（遠高于1000Hz）下，

4、介電常數(shù)主要由電子和分子極化決定，受定向極化、界面極化較小，因此主要與偶極子數(shù)量及排列方式有關。介電常數(shù)隨著SNP含量增大，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。掃描電鏡及密度測試結果表明PE/SNP納米復合材料中僅存在極少量孔或缺陷，從而排除了多孔結構對材料介電性能的影響。DSC及XRD結果證明SNP對 PE存在成核結晶作用，但 SNP含量對成核作用影響較小，難以解釋介電常數(shù)的變化規(guī)律。通過SEM對納米復合體系相態(tài)進行了深入分析，發(fā)現(xiàn)PE在熱壓作用

5、下呈現(xiàn)出各向異性的趨層狀結晶結構。而SNP引入會引發(fā)PE圍繞SNP成核生長，由此形成的PE/SNP聚集體會進一步團聚形成球形相結構，從而降低了材料的各向異性，研究還表明這一球形結構的規(guī)整性和含量與介電性能間呈現(xiàn)出直接關聯(lián)，揭示了相結構及內在聚合物鏈排列對介電性能的影響和調控機制。
　　通過調控納米復合結構（納米粒子的改性、成型壓力及溫度、填料尺寸、種類及維度），進一步研究納米復合對材料介電性能的影響。首先，通過納米粒子表面接枝及改

6、變填料尺寸和種類直接調控界面效應，發(fā)現(xiàn)表面接枝聚苯乙烯的二氧化硅（G-SNP）與PE復合（PE/G-SNP）在二氧化硅體積含量為3.58%時介電常數(shù)為2.02，略高于PE/SNP。填料尺寸越大，納米復合體系介電常數(shù)相對較高。球形納米粒子相對于納米棒粒子，降低介電常數(shù)效應更為明顯。以上結果揭示了納米粒子界面效應對介電性能有著重要影響，界面面積越大，作用越強，介電常數(shù)越低。另一個重要發(fā)現(xiàn)是，PE/SNP介電性能和相態(tài)結構與熱壓壓力直接相關，