場效應晶體管是CPU、傳感器和顯示器的核心部件，其中，介電層對調(diào)節(jié)晶體管的整體性能方面起到至關重要的作用。目前，電介質(zhì)材料仍然存在多種缺點，比如具有強偶極子耦合的鐵電材料或極性聚合物電介質(zhì)中的高極性基團在高電場下表現(xiàn)出明顯的極化滯后，導致器件高損耗。具有高介電常數(shù)的納米顆粒添加劑雖可有效提高聚合物薄膜的電容，但同時也會增加漏電損耗并降低介電層的擊穿強度。因此，聚合物介電常數(shù)和損耗之間的內(nèi)在平衡已經(jīng)嚴重阻礙了高性能聚合物介電材料的發(fā)展。

中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所團隊提出了一種解決方案，即設計一種單分散的圓盤狀Ce-Al-O（Ce@AlM-4）大環(huán)作為聚合物介質(zhì)中的摻雜劑。由于Ce@AlM-4的三價離子特性，摻雜后的聚合物薄膜相對介電常數(shù)增大可達7倍；Ce@AlM-4具有良好的電荷散射和俘獲能力，以及巨大的分子尺寸，可有效降低漏電密度和介電損耗，提高擊穿強度。另外，Ce@AlM-4豐富的外圍苯基以及彼此之間的靜電斥力，使Ce@AlM-4可以很好地分散在聚合物基體中，最大程度消除了缺陷位點，進一步增強擊穿強度�；�于上述優(yōu)點，摻雜Ce@AlM-4的聚合物介電材料所構(gòu)筑的場效應晶體管在保持低泄漏電流水平的同時，提供近三個數(shù)量級的源漏電流增量，從而獲得更高的電荷載流子遷移率和開/關比。該工作打破了聚合物介電常數(shù)和損耗之間的內(nèi)在平衡，為聚合物復合介電材料提供了獨特的設計思路。

相關成果以Breaking the Trade-Off Between Polymer Dielectric Constant and Loss via Aluminum Oxo Macrocycle Dopants for High-Performance Neuromorphic Electronics為題于近期發(fā)表在《先進材料》上。

論文鏈接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202306260

聚合物電介質(zhì)設計策略的比較