南开大学朱剑教授课题组《Adv. Mater.》：开发出柔性无迟滞的弹性体纳米介电层

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高性能，可低压运行的柔性场效应晶体管的研究，将进一步推动下一代微型化、柔性可穿戴电子设备的制造与发展。性能优异的弹性体介电层对于柔性场效应晶体管变形期间可靠地控制半导体沟道中的载流子密度至关重要。传统的弹性体薄膜制备工艺（如旋涂、刮涂等）难以制备无缺陷和针孔的超薄膜，这可能是由于弹性体的软硬链段在极薄厚度下的不良布置所引起的，因此难以在不损伤弹性体绝缘性的同时获得较高的面积电容。

基于以上问题，南开大学朱剑教授课题组使用两种电荷相反的水分散型聚氨酯(PU)，通过静电吸附层层自组装的方式制备了薄至15nm的弹性介电层。通过与大多数柔性基板兼容的低温退火工艺，这种电介质即使在极端弯曲变形下也表现出了高的面积电容和低漏电流。

图一 (a) 聚氨酯的结构式; (b) 层层自组装示意图。

图二 超薄聚氨酯介电层的介电性能表征：(a) 电容器结构示意图；(b-f) (PU⁺/PU^-)_n的最优退火温度和层数的选取（n为自组装层数）；(g-h) 水相组装的PU薄膜浸水介电稳定性实验。

受益于聚氨酯长链提供的热塑性，经过温和的退火后，薄膜可自修复内部产生的缺陷和针孔，使得PU超薄膜可提供237 nF cm^-2的高的面积电容和在2V下3.2 × 10^-8 A cm^-2 的低的漏电流。此外，该纳米介电层不受高湿度影响，在浸入水之后依然可以保持其介电性能，尽管它们的组装发生在水相中。

图三 聚氨酯介电层驱动碳纳米管场效应晶体管：(a-f) 硅基板上碳纳米管场效应晶体管的性能表征；(g-i) 柔性基板上场效应晶体管的稳定性表征。

弹性体聚氨酯超薄膜提供了高的面积电容、低的缺陷密度以及优异的抗湿性，使得聚氨酯纳米介电层组装的单壁碳纳米管场效应晶体管在空气中表现出低电压运行、可忽略的迟滞和高开关比的优异性能和一定的机械稳定性。该工作有望应用于超薄柔性可穿戴设备等领域。

上述成果以“Elastomeric Nanodielectrics for Soft and Hysteresis-Free Electronics”为题发表在材料学知名期刊《Advanced Materials》上，论文的第一作者为南开大学材料学院博士生赵三川，通讯作者为朱剑教授。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202104761

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