研究背景
随着科技的进步,穿戴式电子产品的需求迅速增长。这些产品不仅要求轻便、柔软,还需要能够应对各种机械变形,如拉伸和弯曲。然而,传统的硅基电子元件由于机械脆性,在可拉伸设备中的应用受限。因此,研究者们转向聚合物材料,这些材料具备优异的机械柔性和低温制程能力,是可拉伸电子元件的理想选择。
在电子设备中,介电材料是不可或缺的,它们能有效储存并释放电荷,进而调节元件的性能。对于可拉伸电子元件而言,理想的介电材料不仅要具备良好的绝缘性,还需要具有高介电常数,以便降低能耗并提高效率。然而,目前市场上的有机介电材料介电常数较低,远低于无机材料的 100 以上,这限制了它们的应用。为了克服这一挑战,将无机材料与有机聚合物材料结合,形成兼具机械柔性和高介电常数的纳米复合材料将是一个不错的解决方案。
近日,深圳大学蔡兴科研究员,联合台北科技大学李文亚教授和台湾大学阙居振教授,提出将高介电(e=~100-120)的二氧化钛纳米片分散到聚合物介电层中。通过利用二维氧化钛的光电转化能力(图1),将硫醇分子活化成自由基,并与烯自由基发生交联反应,生成聚合物薄膜。由于二维氧化钛本征的电负性,在溶液中均匀分散,因此最后形成的纳米片也均匀分散于聚合物层中。
图1. 利用二维氧化钛的光催化能力制备复合柔性介电层的原理示意图。
结构表征
首先,研究者通过扫描式电子显微镜 (SEM) 观察二氧化钛纳米片的结构。随后,利用紫外光可见光光谱 (UV-Vis) 测量纳米复合材料的能隙,随着二氧化钛掺杂量的增加,材料的能隙从 3.82 eV 增加到 3.89 eV,这表明二氧化钛的加入提升了材料的能隙特性。
为了进一步探讨纳米片对介电层绝缘性能的影响,研究者使用原子力显微镜 (AFM) 测量了不同掺杂浓度下薄膜的表面形貌。结果显示,随着二氧化钛掺杂量的增加,薄膜表面变得更加光滑,并且表面粗糙度逐渐降低,从未掺杂时的 0.604 nm 下降到 0.29 nm(50 vol.%掺杂浓度)。这意味着纳米片有效改善了薄膜的表面粗糙度,减少了可能影响元件性能的缺陷。
纳米复合薄膜的介电特性
研究结果表明,二氧化钛纳米片的加入显著提升了介电层的介电常数(图2)。在 20 Hz 的频率下,不同掺杂量的纳米复合薄膜的电容值分别为 25.61 nF/cm²(无掺杂)到 684.67 nF/cm²(50 vol.%掺杂)。此外,掺杂浓度为 40 vol.% 的纳米复合薄膜展现了最高的相对介电常数,达到 194.22,远高于过去报道过二氧化钛/聚合物的复合膜,如 poly(vinyl alcohol) ( ε = 43.8) 和聚丙烯 (PP) (ε = 3.27) 。
研究团队还测试了纳米复合材料在不同应变条件下的性能,发现即使在高达 50% 的拉伸应变下,薄膜仍能保持其优异的介电性能,证明了这种材料的可拉伸性和稳定性。
图2. 介电薄膜的电容特性
纳米复合材料在场效应晶体管中的应用
为了验证这种新型纳米复合材料的实际应用,我们将其应用于有机场效应晶体管 (OFET) 中。结果显示,基于这些纳米复合介电层的 OFET 具备优异的性能表现(图3),最高的跨导达到0.808 μS,电流开关比达到 10⁵,并且在小驱动电压(< -3 V)下就能运作。这些结果表明,纳米复合材料不仅改善了元件的介电特性,还显著提高了元件的电性能,特别是降低了功耗。
图3. 复合薄膜用作有机晶体管的介电层。
结论与未来展望
这项研究展示了光固化可拉伸纳米复合介电层在可穿戴电子元件中的巨大潜力。二氧化钛纳米片的掺杂不仅提升了聚合物材料的介电性能,还改善了其机械柔性和拉伸特性。这种材料的开发将有助于下一代穿戴式设备的研发,特别是低功耗、高效率且具备优异弹性的电子元件。
未来的研究方向可能集中于进一步提升这些纳米复合材料的性能,优化元件的设计和制造工艺,并将其应用于更广泛的电子设备中。随着科技的不断进步,这项技术有望在不久的将来成为可拉伸电子设备的核心技术之一。
论文信息:
Photo-Curable Stretchable High-k Polymer/TiO2 Nanosheet Hybrid Dielectrics for Field-Effect Transistor
Qun-Gao Chen, Xingke Cai*, Chu-Chen Chueh*, Wen-Ya Lee*
Small Science
DOI: 10.1002/smsc.202400197
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