21 世紀(jì)以來,我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)快速發(fā)展,電力和電氣化需求進(jìn)入了高速增長期,這前所未有地使介電材料成為世界舞臺(tái)上的焦點(diǎn).介電材料是電容器、電力電子、微電子、嵌入式集成電路、電纜和發(fā)電機(jī)等的關(guān)鍵組成部分.其中,納米電介質(zhì)屬于一類“具有納米結(jié)構(gòu)的多組分電介質(zhì)材料”,自1994 年Lewis 教授首次提出納米電介質(zhì)理論以來,在近三十年的時(shí)間里發(fā)展迅猛且被譽(yù)為“未來的絕緣材料”.納米介電工程的出現(xiàn),推動(dòng)了電工絕緣與微(光)電子器件絕緣材料的創(chuàng)新性發(fā)展.具有先進(jìn)介電功能的納米電介質(zhì)材料的開發(fā)是驅(qū)動(dòng)國家能源戰(zhàn)略實(shí)施、維護(hù)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行及國家安全的重中之重.

當(dāng)下,器件的微型化、集成化極大地帶動(dòng)了以集成電路為代表的微電子制造業(yè)的發(fā)展.但是,器件的高集成度必然伴隨著高的功耗和發(fā)熱,導(dǎo)致電介質(zhì)材料出現(xiàn)嚴(yán)重變形、老化、損傷、碳化,極大地破壞電工裝備及封裝等的穩(wěn)定性和可靠性.此外,高場(chǎng)下絕緣系統(tǒng)中空間電荷的積聚會(huì)引起局部電場(chǎng)畸變,加快絕緣老化甚至造成電擊穿,產(chǎn)生嚴(yán)重的電氣事故.而納米電介質(zhì)的介于宏觀和微觀之間界面區(qū)域的電介質(zhì)行為,具有獨(dú)特的時(shí)空多層次結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的性質(zhì),在提高設(shè)備效能、縮小部件尺寸、節(jié)約能源和材料等方面效果顯著.對(duì)于一些特定的領(lǐng)域,如特高壓輸電、高性能電機(jī)中的主絕緣材料、薄膜電容器中的儲(chǔ)能材料、微電子行業(yè)中的低介電材料、電子設(shè)備中的導(dǎo)熱材料,必須利用納米電介質(zhì)才能達(dá)到所需的性能指標(biāo).因此,為滿足微電子、電力電氣行業(yè)快速發(fā)展的需求,研究在多物理場(chǎng)下具有優(yōu)異電-熱輸運(yùn)特性的納米電介質(zhì)材料具有重要意義.

近年來,基于量子/尺寸效應(yīng)、密度泛函、有限元模擬等理論方法,輔以新材料設(shè)計(jì)理念,科研人員通過研究納米電介質(zhì)的微觀特殊結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的表面化學(xué)和宏觀界面工程逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米電介質(zhì)的電老化性能、短期擊穿增強(qiáng)、介電、儲(chǔ)能、導(dǎo)熱等電-熱特性的協(xié)同優(yōu)化和提高.然而,目前關(guān)于納米電介質(zhì)材料電熱特性的綜合調(diào)控仍處于開發(fā)的初級(jí)階段,納米電介質(zhì)的智能化轉(zhuǎn)型與多功能化發(fā)展速度也相對(duì)遲緩.

為進(jìn)一步提升納米電介質(zhì)研究領(lǐng)域的影響力,推動(dòng)本領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的溝通與交流,《物理學(xué)報(bào)》組織出版“納米電介質(zhì)電-熱特性”專題,重點(diǎn)關(guān)注納米電介質(zhì)電-熱特性調(diào)控,從理論分析、材料設(shè)計(jì)及計(jì)算學(xué)等多角度介紹本領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展和未來發(fā)展趨勢(shì).鑒于納米電介質(zhì)電-熱特性涉及物理、材料、電氣等多學(xué)科的交叉,研究方向豐富,本專題只能重點(diǎn)介紹其中的部分研究成果,包括:納米電介質(zhì)物化特性,納米電介質(zhì)界面與表面,組成、結(jié)構(gòu)與性能,納米電介質(zhì)智能化與多功能化(高/低介電、導(dǎo)熱絕緣等),電介質(zhì)測(cè)試、計(jì)算與模擬,納米電介質(zhì)材料應(yīng)用等,與讀者和同行共享.