科研進(jìn)展場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為微電子技術(shù)的核心,在電子器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。構(gòu)建具有高介電常數(shù)、低介電損耗和良好環(huán)境穩(wěn)定性的聚合物復(fù)合介電材料對(duì)于提升場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能和可靠性至關(guān)重要。然而,傳統(tǒng)的高介電常數(shù)摻雜材料如Al2O3、TiO2和高極性聚合物等,仍然存在界面粗糙、易團(tuán)聚、兼容性不足、損耗高和濕度敏感等問題。由此產(chǎn)生的器件吸濕效應(yīng)不僅會(huì)導(dǎo)致介電性能不穩(wěn)定,而且阻礙了聚合物復(fù)合界面上載流子運(yùn)輸機(jī)制的理論研究。
針對(duì)此挑戰(zhàn),中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所方偉慧課題組和黃偉國(guó)課題組在前期工作中設(shè)計(jì)了Al8大環(huán)摻雜材料(Ce@AlM-4,Adv. Mater. 2023,35,2306260),成功打破了聚合物介電常數(shù)和損耗之間的內(nèi)在平衡。近期,在此研究基礎(chǔ)之上,為了進(jìn)一步設(shè)計(jì)合成兼具優(yōu)異介電性能和環(huán)境穩(wěn)定性的介電材料,我們提出了一種分子工程策略。通過理論計(jì)算指導(dǎo)金屬中心和大環(huán)表面配體工程,實(shí)現(xiàn)了可溶液加工的十種Al8大環(huán)晶態(tài)材料的高效合成。將其作為摻雜劑制備的聚合物復(fù)合電介質(zhì)材料的介電常數(shù)比純聚合物基質(zhì)提高了3倍,且具有較低的介電損耗(tan δ = 0.064)以及明顯優(yōu)于傳統(tǒng)Al2O3等摻雜劑的抗?jié)裥阅堋?/span>

可溶液加工與可編程的Al8大環(huán)用于先進(jìn)電介質(zhì):兼具高介電常數(shù)、低損耗和強(qiáng)耐濕性
本工作取得的進(jìn)展主要有:
1. 介電材料數(shù)據(jù)庫的開發(fā):材料的廣泛應(yīng)用不僅表明了簇在電子領(lǐng)域的普遍適用性,也揭示了分子結(jié)構(gòu)與電性能之間的構(gòu)效關(guān)系,從而為該領(lǐng)域的發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。此外,分子的可編程特性使我們能夠同時(shí)設(shè)計(jì)金屬工程和配體工程,協(xié)同提高材料的介電性能。
2. 顯著提高電擊穿強(qiáng)度和介電常數(shù):新開發(fā)的Al8大環(huán)摻雜聚合物電介質(zhì)表現(xiàn)出高達(dá)749 MV/m的高電擊穿強(qiáng)度,顯著高于此前報(bào)道的數(shù)值。此外,介電常數(shù)達(dá)到10.75,相比之前的9.7提升了10.8%??紤]到介電常數(shù)與介電損耗之間固有的權(quán)衡關(guān)系,這種提升尤為突出,因?yàn)榻殡姄p耗仍維持在極低水平。
3. 優(yōu)異的抗?jié)裥阅埽?/strong>該類Al8材料制成的高性能復(fù)合電介質(zhì)相比于傳統(tǒng)的Al2O3,AlCl3等,均展示出優(yōu)異的耐濕性,這在我們?cè)缙诘难芯恐胁]有實(shí)現(xiàn)。
因此,該工作成功實(shí)現(xiàn)了介電常數(shù)、介電損耗以及抗?jié)裥阅苋叩钠胶鈨?yōu)化,證明了簇分子設(shè)計(jì)的優(yōu)越性、通用性和普適性。此外,在構(gòu)效關(guān)系的分析中建立了連接可控合成-結(jié)構(gòu)-性能間的橋梁,提出了影響表面電子轉(zhuǎn)移的潛在因素,以指導(dǎo)優(yōu)異電學(xué)材料的開發(fā)。該研究成果近期發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed.,DOI: 10.1002/anie.202516238)上,文章的第一作者是中國(guó)科學(xué)院大學(xué)碩士研究生崔莉敏和福州大學(xué)碩士研究生季瑞端,通訊作者是黃偉國(guó)研究員和方偉慧研究員。
文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202516238