高介电常数材料：纳米颗粒的应用前景

为了在芯片和印制电路板上嵌入无源元器件，研究人员已经开始寻找用于制备小面积电容器的高介电常数材料。材料的高介电常数可通过在材料中加入高介电常数的颗粒，并同时使材料的厚度最小化来实现。常用的高介电常数颗粒有陶瓷颗粒^[17-20]、硅颗粒^[21]和金属颗粒^[22-26]等，而为了实现材料厚度的最小化，研究人员已将注意力转向了纳米颗粒。陶瓷颗粒一般是钛酸钡颗粒，如用于制备有机场效应晶体管的陶瓷颗粒，其复合k值约为35^[18]；制备过程中，必须减小这些材料中颗粒的表面能以避免其发生聚合^[19]。

高介电材料的目标k值为50～200，虽然k值为150的材料已可实现，但其代价是相应材料具有高泄漏（介电损耗）。过去，人们已研究过类似的结构，如将金属陶瓷（陶瓷金属复合材料）用来制备片上电阻的高电阻率材料^[27]，它通过颗粒间电子隧道效应导电。在弱电场中，如果纳米颗粒足够小^[21]，那么纳米颗粒就会成为库仑岛并通过库仑阻塞效应使材料的直流泄漏最小化，但是在有限温度下仍然不能完全消除泄漏^[28]。事实上，材料的交流性能更加重要。然而，在交变电场的作用下，纳米颗粒间的电容将会绕开库仑岛的阻塞，除非电容器的厚度允许更短的纳米颗粒链并产生伪感应电流效应^[29]。

另一种避免泄漏的方法是采用铝颗粒，利用其自身的氧化物薄膜^[24]，可获得约160的k值^[25]。另外，对Ag/Al混合物也进行了相关研究^[26]。(www.xing528.com)

值得注意的是，热传导材料与无源元器件具有非常相似的结构要求，即它们均以金属或碳化硅纳米颗粒作为填料^[30]。