纳米分层涂层组装结构：连接微电子与兆伏级电网的桥梁

《Matter》：Nanometric layered coating assembly bridging across micro-electronics and mega-voltage power grids

　　

进展与潜力

电气绝缘仍是电子和电气系统中普遍且关键性的挑战，从微电子到兆伏级电网皆然。在此，我们认为，不利的界面过程——包括载流子注入、表面闪络和放电侵蚀——是导致绝缘老化和失效的主要原因。尽管在界面工程和体相电介质设计方面已取得了重大进展，旨在抑制这些致失效机制，但可规模化、技术成熟且统一的解决方案仍然难以寻觅。

我们提出了一种可规模化的表面工程策略，基于保形、自组装的二维纳米涂层。该涂层在极端电气、环境和热应力下提供多功能屏障性能，通过各向异性、多声子辅助散射有效抑制并耗散热载流子，同时减轻表面闪络和放电侵蚀。我们将这种自组装纳米涂层平台视为电介质表面再工程的一种整体性方案，有望推动下一波大规模电气化浪潮。

摘要

器件结——如金属-绝缘体、金属-绝缘体-半导体以及固-气界面——对于从微电子到兆伏级电网的现代电子和电气系统的性能与可靠性至关重要，因为它们决定了电磁场的分布，从而控制了功率和信息的流动，构成了现代基础设施的骨干。然而，随着对功率和负载效率的需求不断提高，这些界面承受着接近吉伏每米量级的极高电场，同时面临恶劣的环境和热应力。这些不利的界面过程——即金属-绝缘体界面的热载流子注入、电介质表面闪络和放电侵蚀——最终导致老化乃至系统失效。由于这些挑战的复杂性和严峻程度，目前尚不存在单一、统一的解决方案。在此，我们公开了一种保形、自组装的二维纳米涂层，该涂层通过数百个高度取向的有机-无机纳米层的共组装形成，整体厚度约300纳米，可通过可规模化的喷涂技术轻松施加，能够通过各向异性、多声子辅助散射有效阻碍并耗散热载流子，从而形成具有缺陷容忍性的热载流子"整流器"。我们进一步证明，这种表面再工程解决方案还能抑制户外兆伏级电网中的表面闪络和电晕放电老化，具有生成式设计以及全局多功能屏障性能的前景，有望服务于未来的大规模电气化。

图文摘要