美国西北大学团队工作，奇材馆整理

【文章概述】

由于微处理器的特点是小型化，低介电常数(低k)材料是必要的，以限制电子串扰，电荷积累和信号传播延迟。然而，所有已知的低k介质都表现出较低的导热性，这使得高功率密度芯片的散热复杂化。二维(2D)共价有机框架(COFs)结合了巨大的永久性孔隙结构(导致低介电常数)和周期性的层状结构(获得相对较高的热导率)。然而，传统的合成路线产生的2D COFs不适合评价这些性能和集成到器件中。在这里，我们报道了高质量COF薄膜的制造，使热反射率和阻抗谱测量成为可能。这些测量结果表明，二维COFs具有高导热系数(1Wm⁻¹ K⁻¹)和超低介电常数(K =1.6)。这些结果表明，定向分层2D聚合物是有希望的下一代介电材料。

【成果简介】

Patrick E. Hopkins课题组联合William R. Dichtel课题组打破传统COF合成方法，利用新的方式合成高质量COF薄膜，结合了二维(2D)共价有机框架(COFs)巨大的永久性孔隙结构(导致低介电常数)和周期性的层状结构的优势，期望做一种超低K介电常数的材料，以解决微型器件电子串扰，电荷积累和信号传播延迟等问题。本文章指出了一种定向分层2维聚合物是有希望的下一代介电材料。该材料符合奇材馆理念，后续开发值得期待!

【文章亮点】

1.打破传统COF合成的方法，开发一种新颖的合成COF薄膜材料的路线方法。

2. 二维(2D)共价有机框架(COFs)巨大的永久性孔隙结构(导致低介电常数)和周期性的层状结构

3.高质量的COF薄膜拥有令人惊奇的低介电常数，在未来高功率密度芯片的散热领域应用潜力巨大。

【图文导图】

图1：硼酸酯连接COF膜的嵌入胶体聚合。

（a-b）、硼酸酯连接的COF膜的合成(a)和重复引入单体的二维COF膜的序贯聚合(b)。

c、 COF薄膜的GI-WAXS图案。

d、顺序聚合TP-COF薄膜的原子力显微图。

e、在d的芳基中顺序聚合的TP-COF薄膜的线切当量等价聚合物图。

图2：COF薄膜的光电性质。

a、COF-5在DFT /PBE0能级上计算的电子带结构和相应的布里渊区。VBM，价带最大值。

b、在DFT /PBE水平上计算所有研究COFs的电子介质张量。

c、 COF-5的光学吸收和发射(λ激发= 325 nm)曲线。

d、 COF-5薄膜的偏振依赖发射，它将平面内(紫色，0°)分量从跨平面(红色，90°)分量分解。

图3：COF-5介电层阻抗测量。

a、在EG/SiC晶片上生长的金接触Al2O3/COF-5介质双层电容器原理图。

b、在全覆盖Al2O3/COF-5/EG/SiC上的图像化金衬片阵列的光学显微镜图像。

c、 Al2O3/COF-5双层膜的AFM显微图显示了划痕处的台阶边缘。

d、从c.e切割的AFM线提取的高度轮廓，x射线反射率数据和Al2O3/ COF-5/EG/SiC层状结构的模型拟合。插图:从x射线反射率拟合中提取电子密度剖面。

f、泄漏电流与施加在10个不同COF器件上的偏置电压的关系。

g、 Al2O3/COF-5双层膜的电容作为施加电压的函数在1 kHz和100 mV信号下测量。

h、实(电阻，Z’)和虚(电抗，Z″)阻抗分量和各自模型拟合的波德图。

图4二维COF薄膜的热性能。

a、特征TDTR数据作为泵浦-探头延迟时间的函数和解析模型拟合。

b、  95%置信区间的热导率和热容等高线图。

c、温度相关导热系数的分子动力学模拟。虚线表示由温度依赖性产生的分析拟合。误差条代表了在NEMD模拟中不同计算域长度的三个独立模拟中的方差。

d、常见材料的密度和导热系数。

图5:低k介质导热系数的meta分析图。各种材料的导热系数与介电常数的关系。

【奇材馆点评】

发现二维COFs的结构、热学和电子特性的结合使其有希望成为低k介电材料。具体来说，二维COFs的低密度、低k介质常数特性，使其表现出异常高的导热性，这是最近被国际半导体确定为下一代集成电路先决条件的一种性能要求。更通俗的来说，通过使用合成化学来生成具有精确结构的有机材料，可以解锁拥有奇异特性的材料。展望未来，我们预计对二维聚合物性能的广泛研究可能会产生跨多种应用环境的相关材料。

【论文信息】