高性能，可低壓運(yùn)行的柔性場效應(yīng)晶體管的研究，將進(jìn)一步推動(dòng)下一代微型化、柔性可穿戴電子設(shè)備的制造與發(fā)展。性能優(yōu)異的彈性體介電層對于柔性場效應(yīng)晶體管變形期間可靠地控制半導(dǎo)體溝道中的載流子密度至關(guān)重要。傳統(tǒng)的彈性體薄膜制備工藝（如旋涂、刮涂等）難以制備無缺陷和針孔的超薄膜，這可能是由于彈性體的軟硬鏈段在極薄厚度下的不良布置所引起的，因此難以在不損傷彈性體絕緣性的同時(shí)獲得較高的面積電容。
基于以上問題，南開大學(xué)朱劍教授課題組使用兩種電荷相反的水分散型聚氨酯(PU)，通過靜電吸附層層自組裝的方式制備了薄至15nm的彈性介電層。通過與大多數(shù)柔性基板兼容的低溫退火工藝，這種電介質(zhì)即使在極端彎曲變形下也表現(xiàn)出了高的面積電容和低漏電流。
圖一 (a) 聚氨酯的結(jié)構(gòu)式; (b) 層層自組裝示意圖。
圖二 超薄聚氨酯介電層的介電性能表征：(a) 電容器結(jié)構(gòu)示意圖；(b-f) (PU+/PU-)n的最優(yōu)退火溫度和層數(shù)的選取（n為自組裝層數(shù)）；(g-h) 水相組裝的PU薄膜浸水介電穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。
受益于聚氨酯長鏈提供的熱塑性，經(jīng)過溫和的退火后，薄膜可自修復(fù)內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷和針孔，使得PU超薄膜可提供237 nF cm-2的高的面積電容和在2V下3.2 × 10-8 A cm-2 的低的漏電流。此外，該納米介電層不受高濕度影響，在浸入水之后依然可以保持其介電性能，盡管它們的組裝發(fā)生在水相中。
圖三 聚氨酯介電層驅(qū)動(dòng)碳納米管場效應(yīng)晶體管：(a-f) 硅基板上碳納米管場效應(yīng)晶體管的性能表征；(g-i) 柔性基板上場效應(yīng)晶體管的穩(wěn)定性表征。
彈性體聚氨酯超薄膜提供了高的面積電容、低的缺陷密度以及優(yōu)異的抗?jié)裥，使得聚氨酯納米介電層組裝的單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管在空氣中表現(xiàn)出低電壓運(yùn)行、可忽略的遲滯和高開關(guān)比的優(yōu)異性能和一定的機(jī)械穩(wěn)定性。該工作有望應(yīng)用于超薄柔性可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。
上述成果以“Elastomeric Nanodielectrics for Soft and Hysteresis-Free Electronics”為題發(fā)表在材料學(xué)知名期刊《Advanced Materials》上，論文的第一作者為南開大學(xué)材料學(xué)院博士生趙三川，通訊作者為朱劍教授。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202104761
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