擁有高介電常數(shù)，低介電損耗，以及耐高溫特性的高分子介電材料是柔性晶體管的核心材料，廣泛應(yīng)用于各類可打印電子器件當(dāng)中，并成為近年來材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過提高晶體管柵極絕緣層的介電常數(shù)及電容密度，有利于提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管中載流子的遷移速率。一般來講，在高分子側(cè)鏈引入高偶極矩的官能團(tuán)并利用其在高電場(chǎng)下的取向極化能力可以有效提高高分子材料的介電常數(shù)。然而，由于取向?qū)е路肿娱g摩擦，引入高極化能力的官能團(tuán)也同時(shí)增加了材料的介電損耗；另一方面，具有高介電常數(shù)的高分子材料通常在高溫及高壓下表現(xiàn)出急劇上升的介電損耗，高漏電流密度，以及低擊穿強(qiáng)度，不利于實(shí)際應(yīng)用。因此，發(fā)展一類高性能高分子介電材料并同時(shí)滿足高介電常數(shù)，低介電損耗，良好的耐高溫特性，以及優(yōu)異的可溶液加工性，是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)。
近日，美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)（Case Western Reserve University）祝磊教授課題組首次報(bào)道了基于自具微孔聚合物（PIMs）的一類具有高介電常數(shù)，低介電損耗，以及耐高溫特性的高分子介電薄膜材料。其介電常數(shù)在高電場(chǎng)下可達(dá)到6，并實(shí)現(xiàn)了17 J cm-3的高能量密度；其儲(chǔ)能效率在150 °C/300 MV m-1條件下可以達(dá)到94%，在200 °C/200 MV m-1仍可達(dá)到88%。另外，該類介電高分子材料還兼具有卓越的可溶液加工性，可溶解于常規(guī)有機(jī)溶劑當(dāng)中并可通過旋涂工藝制備高質(zhì)量高分子薄膜；诟呓殡姵(shù)的SO2-PIM做為柵極絕緣層制備的InSe場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件，展示出了較高的電子遷移率 (200-400 cm2V-1S-1)。
圖1 （左）SO2-PIM分子式。（右）放電能量密度及放電效率。（插圖）在InSe場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，以SO2-PIM作為柵極絕緣層的電子遷移率達(dá)到200-400 cm2V-1S-1。
從分子設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，他們提出自具微孔聚合物的全剛性高分子主鏈及其超高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以有效抑制分子鏈在高溫高電場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)，從而有利于降低高溫下聚合物薄膜的介電損耗及漏電流，并提高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。另一方面，由于自具微孔聚合物擁有均勻分布的微孔結(jié)構(gòu)以及高比表面積，可以預(yù)測(cè)其微孔結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)側(cè)鏈取代基團(tuán)（例如：砜基）的無摩擦取向極化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大幅降低由于取向極化所帶來的介電損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低電場(chǎng)以及室溫的情況下，SO2-PIM 具有5.3的介電常數(shù)以及0.005的介電損耗（1000 Hz）；在高溫高電場(chǎng)下，相比于其他無定形玻璃態(tài)介電高分子發(fā)生了電場(chǎng)誘導(dǎo)的分子鏈段的運(yùn)動(dòng)，SO2-PIM仍沒有展現(xiàn)出因分子運(yùn)動(dòng)所帶來的非線性介電損耗，從而反映出其卓越的耐高溫介電特性。
SO2-PIM高的能量存儲(chǔ)，以及耐高溫、耐高壓的優(yōu)異介電性能通過電滯回線測(cè)試進(jìn)一步得到了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，室溫下SO2-PIM薄膜在770 MV m-1條件下仍可以保持90%以上的放電效率以及17 J cm-3高放電能量密度；在150 °C高溫及300 MV m-1電場(chǎng)條件下，SO2-PIM仍具有93%的放電效率；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度降到200 MV m-1, 即使是在175 °C及200 °C 條件下，SO2-PIM仍然能夠保持較高的放電效率，其效率分別為94%和88%。
由于具有耐高溫以及出色的絕緣特性，SO2-PIM可認(rèn)為是理想的有機(jī)高介電常數(shù)柵極介電層材料。該課題組基于二維半導(dǎo)體材料InSe制備了FET器件，并研究了SO2-PIM作為FET柵極介電材料對(duì)器件性能的影響。研究結(jié)果表明，以SO2-PIM作為介電層材料的FET器件展示出了400 cm2V-1S-1的高電子遷移率，相對(duì)于沒有應(yīng)用SO2-PIM的器件展現(xiàn)出了10倍的性能提升。
以上相關(guān)成果發(fā)表在Materials Horizons 2019, DOI: 10.1039/C9MH01261C上。論文第一作者為張忠博博士，目前在美國(guó)芝加哥大學(xué)Supratik Guha教授課題組進(jìn)行博士后研究工作，共同第一作者為中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所鄭吉富副研究員，通訊作者為美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)祝磊教授。
論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/MH/C9MH01261C#!divAbstract
- 新型高分子介電質(zhì)能耐250℃高溫 2015-08-04
