基于納米復(fù)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(shù)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(dá)到超低介電往往需引入大量孔洞結(jié)構(gòu)，犧牲材料的力學(xué)性能。近幾十年來，納米復(fù)合作為聚合物材料的改性手段，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。納米復(fù)合的突出特點(diǎn)是可通過極小含量的納米粒子顯著改變聚合物的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)，

2、其內(nèi)在作用機(jī)制是通過納米粒子大比表面積和強(qiáng)界面作用，誘導(dǎo)聚合物鏈在納米粒子表面排列，產(chǎn)生受限作用，從而極大程度地改變聚合物性質(zhì)。納米復(fù)合的這一效應(yīng)有望在調(diào)控低介電性質(zhì)上發(fā)揮重要作用，同時相對于傳統(tǒng)的化學(xué)或者多孔方法，納米復(fù)合技術(shù)制備低介電材料還可進(jìn)一步提高材料力學(xué)性能，也更為簡單、高效，展現(xiàn)出顯著的性能優(yōu)勢。基于上述思路，本課題采用幾個典型的納米復(fù)合體系，研究了納米復(fù)合效應(yīng)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(fù)合材料。
　　以典型的納米復(fù)合體系，線性低密度聚乙烯（PE）/二氧化硅納米粒子（SNP）復(fù)合材料，為研究對象，研究納米復(fù)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(fù)合得到一系列不同二氧化硅體積含量的納米復(fù)合材料（PE/SNP）。介電測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)二氧化硅體積含量為3.58%，復(fù)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(yuǎn)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(guān)。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(jié)果表明PE/SNP納米復(fù)合材料中僅存在極少量孔或缺陷，從而排除了多孔結(jié)構(gòu)對材料介電性能的影響。DSC及XRD結(jié)果證明SNP對 PE存在成核結(jié)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(fù)合體系相態(tài)進(jìn)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(jié)晶結(jié)構(gòu)。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(jìn)一步團(tuán)聚形成球形相結(jié)構(gòu)，從而降低了材料的各向異性，研究還表明這一球形結(jié)構(gòu)的規(guī)整性和含量與介電性能間呈現(xiàn)出直接關(guān)聯(lián)，揭示了相結(jié)構(gòu)及內(nèi)在聚合物鏈排列對介電性能的影響和調(diào)控機(jī)制。
　　通過調(diào)控納米復(fù)合結(jié)構(gòu)（納米粒子的改性、成型壓力及溫度、填料尺寸、種類及維度），進(jìn)一步研究納米復(fù)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(diào)控界面效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)表面接枝聚苯乙烯的二氧化硅（G-SNP）與PE復(fù)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(fù)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(yīng)更為明顯。以上結(jié)果揭示了納米粒子界面效應(yīng)對介電性能有著重要影響，界面面積越大，作用越強(qiáng)，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(jié)構(gòu)與熱壓壓力直接相關(guān)，