場效應(yīng)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(guān)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(qiáng)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(tuán)在高電場下表現(xiàn)出明顯的極化滯后，導(dǎo)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(qiáng)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(yán)重阻礙了高性能聚合物介電材料的發(fā)展。

中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所團(tuán)隊提出了一種解決方案，即設(shè)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(dá)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(qiáng)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(jìn)一步增強(qiáng)擊穿強(qiáng)度。基于上述優(yōu)點，摻雜Ce@AlM-4的聚合物介電材料所構(gòu)筑的場效應(yīng)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(guān)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(fù)合介電材料提供了獨特的設(shè)計思路。

相關(guān)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(jìn)材料》上。

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聚合物電介質(zhì)設(shè)計策略的比較