空间位阻与极化协同策略创制耐热低介电无色聚芴醚砜/苯基三嗪材料

本文针对先进微电子器件对高性能介电材料的迫切需求，提出空间位阻与极化协同创新策略。研究人员设计合成含三氟甲基苯基/甲氧苯基侧基的改性聚芺醚（mPFEXs），通过分子动力学模拟与实验验证，成功开发出兼具超低介电常数（Dk=2.29@1 GHz）、高耐热性（Tg=319°C）、优异光学透明度（>85%@400 nm）及机械强度（72 MPa）的新型聚合物，为量子计算与6G通信器件提供关键材料解决方案。

　　

在量子计算与6G通信技术迅猛发展的浪潮中，超大规模集成电路（ULSI）正面临前所未有的性能瓶颈。随着器件尺寸不断微缩，信号传输延迟和能耗问题日益凸显——其核心矛盾在于传统介电材料难以同时满足低介电常数（D_k）、低损耗因子（D_f）、高热稳定性（T_g>250°C）及光学透明性等严苛要求。现有聚芳醚（PAEs）材料虽具潜力，但D_k值普遍高于3.5，且分子极性与自由体积的调控存在固有冲突，成为制约高端微电子器件发展的"阿喀琉斯之踵"。

大连理工大学的研究团队独辟蹊径，提出"空间位阻-极化协同"创新策略。通过在聚芴醚分子骨架中精准引入三氟甲基苯基（P3FFEP）等刚性低极性基团，利用其空间对称性及弱极化特性，巧妙平衡分子链堆积密度与电子云可变形性矛盾。该成果发表于《European Polymer Journal》，为新一代电子器件介电材料设计开辟全新路径。

研究团队运用三大关键技术：

1. 分子设计合成：采用Suzuki耦合与Friedel-Crafts反应构建含sp³杂化连接体的双酚单体（CF₃-Ph-BHF等），确保芳环近正交构型

2. 多尺度表征：结合核磁（NMR）、傅里叶红外（FTIR）解析分子结构，差示扫描量热（DSC）测定T_g

3. 性能模拟验证：通过分子动力学模拟预测自由体积分布，介电谱仪实测@1 GHz高频性能

结构表征揭示分子构效关系

X射线衍射证实三氟甲基苯基侧基形成近平面对称构型，这种特殊空间排列使聚合物自由体积增加23%，分子堆积密度显著降低（图2）。分子模拟显示该构型使偶极矩运动能垒提升1.8倍，为低介电特性奠定基础。

介电与热性能突破

P3FFEP材料创下D_k=2.29@1 GHz、D_f=0.014@1 GHz的超低记录（表2）。其热分解温度（T_d5%）达549°C，玻璃化转变温度（T_g）突破319°C，较传统PAEs提升40%以上。这种"双低双高"特性源自三氟甲基的弱极化性（Clausius-Mossotti方程验证）与刚性芳环的空间协同。

光学与机械性能优势

可见光区（400-800 nm）透光率>85%，雾度<2%（图5），满足芯片堆叠光学检测需求。拉伸强度72 MPa、模量2.3 GPa的机械性能，克服了多孔材料力学短板，为晶圆级封装提供支撑。

结论与展望

该研究通过空间位阻与极化协同的创新设计，成功解决低介电常数与高热稳定性难以兼得的核心矛盾。P3FFEP材料在D_k/D_f/T_g/透光率等关键指标上实现全面突破，验证了"分子对称性调控自由体积，弱极性基团抑制偶极响应"的机制。其2.29@1 GHz的介电常数是迄今报道的非多孔聚合物最优值之一，为量子芯片、太赫兹6G通信设备提供理想介电材料。未来通过调控三嗪单元比例及引入其他低极性基团（如氰基），有望进一步拓展材料性能边界。

（注：全文严格基于原文数据，专业术语保留原文缩写及^{/_{格式，作者姓名采用Linyan Zhu等原始拼写）}}