場效應晶體管是微電子技術的核心。構建具有高介電常數、低介電損耗和良好環境穩定性的聚合物復合介電材料，對于提升場效應晶體管的性能和可靠性至關重要。但是，傳統的高介電常數摻雜材料，存在界面粗糙、易團聚、兼容性不足、損耗高和濕度敏感等問題。同時，由此產生的器件吸濕效應會導致介電性能不穩定，阻礙聚合物復合界面上載流子運輸機制的理論研究。

前期，中國科學院福建物質結構研究所方偉慧課題組和黃偉國課題組，設計了Al₈大環摻雜材料，打破了聚合物介電常數和損耗之間的內在平衡。近期，以此為基礎，為進一步設計合成兼具優異介電性能和環境穩定性的介電材料，研究團隊提出了分子工程策略。

科研團隊通過理論計算指導金屬中心和大環表面配體工程，實現了可溶液加工的10種Al₈大環晶態材料的高效合成。將其作為摻雜劑制備的聚合物復合電介質材料的介電常數，比純聚合物基質提高了3倍，具有較低的介電損耗，優于傳統摻雜劑的抗濕性能。

材料的廣泛應用表明簇在電子領域的普遍適用性，揭示了分子結構與電性能之間的構效關系，為領域發展奠定了理論基礎。分子的可編程特性使科研人員能夠同時設計金屬工程和配體工程，協同提高材料的介電性能。同時，新開發的Al₈大環摻雜聚合物電介質表現出達749 MV/m的高電擊穿強度，提高了電擊穿強度和介電常數。該類Al₈材料制成的高性能復合電介質，展示出優異的耐濕性。

上述研究實現了介電常數、介電損耗和抗濕性能三者的平衡優化，證明了簇分子設計的優越性、通用性和普適性。同時，研究在構效關系分析中建立了連接可控合成-結構-性能間的橋梁，并提出了影響表面電子轉移的潛在因素，以指導優異電學材料的開發工作。

相關研究成果發表在《德國應用化學》上。

論文鏈接

可溶液加工與可編程的Al₈大環用于先進電介質：兼具高介電常數、低損耗和強耐濕性