本文概述了目前高介電聚合物基復(fù)合材料的主要問題，論述了鐵電陶瓷、導(dǎo)電顆粒(金屬粒子、石墨、碳納米管)改性高介電復(fù)合材料的國內(nèi)外研究進展;重點介紹了酞菁銅、聚苯胺改性全有機高介電復(fù)合材料，探討了存在的主要問題，并指出提高介電常數(shù)、儲能密度，減小介電損耗，降低制備成本是未來發(fā)展的方向。

　　從第一塊集成電路發(fā)明至今，以硅基集成電路為核心的微電子技術(shù)取得了飛速發(fā)展，其集成度以每年25%～30%的速率增長。這樣的增長速率符合摩爾定律，直到今天，該定律仍然指導(dǎo)著半導(dǎo)體工業(yè)集成電路的發(fā)展。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，作為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect　Transistor，MOSFET)、動態(tài)隨機存儲器(Dynamic　Random　Access　Memory，DRAM)以及印刷線路板(Printed　Wirng　Board，PWB)上電容器的介質(zhì)材料迅速減薄，逼近其物理極限。隨著器件特征尺寸的不斷縮小，當(dāng)線寬小于0.1μm，柵氧化物層厚度開始逐漸接近原子間距。此時，受隧道效應(yīng)的影響，柵極漏電流將隨氧化層厚度的減小呈指數(shù)增長。漏電流的急劇增加造成MOS器件關(guān)態(tài)時的功耗增加，對器件的集成度、可靠性和壽命都有很大影響，因此研究新型高介電介質(zhì)材料成為當(dāng)今信息功能材料以及微電子領(lǐng)域的前沿課題。

　　介電材料按介電常數(shù)的高低分為高介電和低介電兩個方向。高介電材料主要應(yīng)用于柵極介質(zhì)材料、儲能材料等領(lǐng)域，低介電材料主要用來制備電子封裝材料。筆者所在的課題組近年來在聚酰亞胺低介電復(fù)合材料方面取得了一系列研究成果。高介電常數(shù)材料根據(jù)用途主要分為鈣鈦礦相氧化物和金屬或過渡金屬氧化物，前者用于DRAM 以及PWB上的電容介質(zhì)材料，后者用于MOSFET柵極的絕緣介質(zhì)材料。近年來，聚合物基高介電材料成為微電子行業(yè)研究的熱點之一，選擇合適的聚合物基體，可以在PWB上快速大規(guī)模地制備高電容嵌入式微電容器，這種微電容器可以保證集成電路的高速運行。此外，利用聚合物基高介電材料具備的特殊物理特性，可制備具有特殊性能的新型器件。目前，聚合物基高介電材料研究熱點主要有兩個方面，一是新材料的研究，即研發(fā)具有高介電常數(shù)和介電強度、低介電損耗，具有應(yīng)用前景的新材料;二是新方法的研究，即研究材料制備的新方法、新工藝以及解釋介電機理的新理論、新模型。目前應(yīng)用較多的理論主要有Maxwell-Garnett 近似理論、Bruggeman自洽場近似理論、Jonscher’s模型、Mxwell-Wagner-Sillars極化理論、滲流閾值理論。聚合物基高介電材料已經(jīng)成為一類新興材料。這種高性能、質(zhì)量輕的電子材料可以適用于電容器、微驅(qū)動器、人工肌肉、智能材料、微電子機械、微循環(huán)設(shè)備、聲控設(shè)備、傳感器和微波吸收材料等。本文從復(fù)合材料增強體的角度概述了高介電常數(shù)聚合物基復(fù)合材料國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，提出面臨的問題以及發(fā)展趨勢。

高介電材料存在的問題

　　有機高分子材料的介電常數(shù)較低，常用的基體是具有優(yōu)良介電性能的鐵電聚合物聚偏氟乙烯(Polyvinylidine Fluoride，PVDF)及其和三氟乙烯共聚物(Poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene，P(VDFTrFE))。PVDF是一種半結(jié)晶聚合物，具有優(yōu)良的介電性能，材料加工溫度低，熔融黏度小，易加工成型。P(VDF-TrFE)具有更加突出的介電性能(100Hz達到15，介電損耗0.1以下)。近年來，Q.M.Zhang在P(VDF-TrFE)中引入氯代氟乙烯(1-chlorofluoroethylene，CFE)，使其產(chǎn)生隨機缺陷，在400MV·m-1的電場下P(VDF-TrFE-CFE)的能量密度達到9J·cm-3，化學(xué)組成對其介電性能起著決定性的作用。至此，介電高分子經(jīng)歷了單組分高分子、多組分復(fù)合材料(高分子-填料二元或三元體系)、再到單組分P(VDF-TrFE-CFE)的螺旋上升式的發(fā)展過程。

　　另外，環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、聚乙烯、聚氨酯、橡膠等因為原料易得、成本低、易加工等優(yōu)點也得到一定的應(yīng)用。

　　隨著科技的飛速發(fā)展，僅靠一種材料已不能滿足所有的應(yīng)用要求。在這種情況下，復(fù)合材料得到了人們的青睞，將兩種性質(zhì)互補的材料進行復(fù)合是開發(fā)和研究新材料的有效手段。雖然PVDF和P(VDF-Tr-FE)具有優(yōu)良的介電性能，但介電常數(shù)仍不能滿足高密度儲能領(lǐng)域的需求。盡管陶瓷材料介電常數(shù)高，但在使用中仍有許多缺點。由于陶瓷的脆性，受溫差變化和機械作用容易開裂，柔韌性差;并且，從產(chǎn)品制造工藝和成本等方面考慮，大多數(shù)多層陶瓷電容器在制造過程中需要絲網(wǎng)電極進行共燒，工藝復(fù)雜，耗能大，而單一的聚合物材料介電常數(shù)太小。另一方面，鐵電聚合物相對陶瓷而言具有成本低、易加工、可裁剪以適應(yīng)不同需要的優(yōu)點，因此，通過材料的復(fù)合效應(yīng)，利用無機和有機材料各自的優(yōu)點，研究具有高介電常數(shù)的無機/有機、有機/有機復(fù)合電介質(zhì)材料是解決以上問題的重要途徑。以下從復(fù)合材料增強體的角度重點介紹高介電常數(shù)聚合物基復(fù)合材料的研究狀況，鐵電陶瓷、導(dǎo)電粒子、全有機改性高介電復(fù)合材料制備簡單、成本降低、研究較多，因此具有代表性，本文將重點闡述。

結(jié)束語

　　隨著科技的發(fā)展，具有高介電常數(shù)、高電場響應(yīng)、高儲能密度、低介電損耗、易加工、成本低的聚合物基復(fù)合材料應(yīng)用前景廣闊。陶瓷/聚合物0-3復(fù)合材料已經(jīng)在薄膜電容器等領(lǐng)域得到應(yīng)用，但為了達到較高的介電常數(shù)，陶瓷的填充量一般較大，失去了復(fù)合材料的柔韌性，降低了加工性能�？梢灶A(yù)見，在未來一段時間探索不同的陶瓷和聚合物進行復(fù)合，研發(fā)新的復(fù)合體系(如Li，Ti摻雜NiO和聚合物復(fù)合)，優(yōu)化無機和有機兩相之間界面，改進復(fù)合工藝，制備具有優(yōu)異介電性能、力學(xué)性能、加工性能的復(fù)合材料仍將是陶瓷/聚合物復(fù)合材料的研究重點。金屬/聚合物復(fù)合材料的介電常數(shù)較高，滲流閾值也很小，但在滲流閾值附近介電性能不穩(wěn)定，大于閾值時介電損耗會急劇增加，引起漏電流增加從而形成電場擊穿，所以如何保證金屬/聚合物復(fù)合材料有高介電常數(shù)的同時減小其介電損耗，是金屬/聚合物復(fù)合材料面臨的挑戰(zhàn)，金屬-絕緣層核-殼復(fù)合粒子是有效的解決途徑。另外，具有優(yōu)良電學(xué)性能的石墨烯材料(電阻率只有10-6Ω·cm，比銅或銀更低)在高介電材料領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景，這必將成為研究的熱點。聚苯胺、酞菁銅等有機填料與聚合物之間有很好的相容性，制備的全有機高介電常數(shù)復(fù)合材料具有很好的加工性能，在接近滲流閾值時仍能保持較高的擊穿場強，是值得重點研究的一種新型材料。