場(chǎng)效應(yīng)晶體管是微電子技術(shù)的核心。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。但是，傳統(tǒng)的高介電常數(shù)摻雜材料，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(wèn)題。同時(shí)，由此產(chǎn)生的器件吸濕效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致介電性能不穩(wěn)定，阻礙聚合物復(fù)合界面上載流子運(yùn)輸機(jī)制的理論研究。

前期，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，設(shè)計(jì)了Al₈大環(huán)摻雜材料，打破了聚合物介電常數(shù)和損耗之間的內(nèi)在平衡。近期，以此為基礎(chǔ)，為進(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，研究團(tuán)隊(duì)提出了分子工程策略。

科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)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10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，具有較低的介電損耗，優(yōu)于傳統(tǒng)摻雜劑的抗?jié)裥阅堋?/span>

材料的廣泛應(yīng)用表明簇在電子領(lǐng)域的普遍適用性，揭示了分子結(jié)構(gòu)與電性能之間的構(gòu)效關(guān)系，為領(lǐng)域發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。分子的可編程特性使科研人員能夠同時(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。同時(shí)，新開(kāi)發(fā)的Al₈大環(huán)摻雜聚合物電介質(zhì)表現(xiàn)出達(dá)749 MV/m的高電擊穿強(qiáng)度，提高了電擊穿強(qiáng)度和介電常數(shù)。該類(lèi)Al₈材料制成的高性能復(fù)合電介質(zhì)，展示出優(yōu)異的耐濕性。

上述研究實(shí)現(xiàn)了介電常數(shù)、介電損耗和抗?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。同時(shí)，研究在構(gòu)效關(guān)系分析中建立了連接可控合成-結(jié)構(gòu)-性能間的橋梁，并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(kāi)發(fā)工作。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。

論文鏈接

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