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可拉伸电子产品有戏了?科学家研发新型弹性聚合物电介质

2023-02-20 15:39:02 综合报道 阅读:
尽管最近在材料和制造技术方面取得了进展,但开发具有大面积均匀性、低功耗和性能可与传统刚性设备相媲美的本征可拉伸电子设备仍然具有挑战性。一个关键的限制是缺乏弹性介电材料……

在过去几年中,材料科学家和电子工程师一直在尝试制造新型柔性无机材料,以制造可拉伸和高性能的电子设备。这些设备可以基于不同的设计,例如具有蛇形/分形互连的刚性岛状有源电池、中性机械平面或双层结构。yHpednc

尽管最近在材料和制造技术方面取得了进展,但开发具有大面积均匀性、低功耗和性能可与传统刚性设备相媲美的本征可拉伸电子设备仍然具有挑战性。一个关键的限制是缺乏弹性介电材料,这种材料可以在大面积上薄而均匀,并提供强大的绝缘性能和高机械和化学稳定性。例如,具有波浪形或蛇形互连设计的材料通常具有有限的面积密度,并且制造拟议的可拉伸材料通常既困难又昂贵。此外,许多现有的可拉伸材料的刚度与人体皮肤组织的刚度不匹配,使它们在皮肤上不舒服,因此不适合用于创造可穿戴技术。yHpednc

成均馆大学 (SKKU)、基础科学研究所 (IBS)、首尔国立大学 (SNU) 和韩国科学技术院 (KAIST) 的研究人员最近制造了一种用于开发可拉伸电子产品的真空沉积弹性聚合物。Nature Electronics中介绍的这种材料可用于制造弹性场效应晶体管 (FET),这是当今市场上大多数电子设备的主要组件。yHpednc

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该论文展示了真空沉积的弹性聚合物层可以用作具有碳纳米管通道和微裂纹金电极的弹性场效应晶体管中的栅极电介质。聚合物介电层具有高绝缘性能(厚度在200nm以下)、高稳定性和大面积均匀性。8英寸可拉伸碳纳米管晶体管晶圆阵列表现出良好的电性能均匀性,在40%应变下经过1000次拉伸循环后仍能保持性能。我们使用晶体管构建弹性反相器和逻辑门,它们可以在高达 40% 的施加应变下运行。yHpednc

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使用真空沉积聚合物电介质晶圆级制造本征可拉伸晶体管阵列的照片。yHpednc

据介绍,溶液处理的有机栅极介电材料,即可以在不导电(即绝缘)的情况下传输电力的材料,并不特别适合制造柔性电子产品。最值得注意的是,它们的厚度为微米级,绝缘性能差,化学不稳定且均匀性低。此外,它们通常与传统的微加工工艺不兼容,因此难以大规模生产。yHpednc

由于这些限制,基于这些溶液处理材料的电子元件受到较差的栅极可控性和高工作电压以及有限的可扩展性的困扰。因此,Son 和他的同事以及全球其他研究团队一直在尝试使用替代制造策略来制造超薄、可拉伸、可扩展和高性能的电介质。yHpednc

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使用真空沉积聚合物电介质的本征可拉伸晶体管和逻辑门的图像。图片来源:Donghee Son 教授和 Ja Hoon Koo 博士。yHpednc

为了制造基于聚合物的电介质,Son 和他的同事首先使用称为引发的工艺将两种不同的单体共聚,即丙烯酸异壬酯 (INA) 和 1,3,5-三甲基-1,3,5-三乙烯基环三硅氧烷 (V3D3)化学气相沉积 (iCVD)。单体 INA 充当软链段,增加材料的拉伸性,而 V3D3 充当可交联的硬链段,赋予聚合物薄膜强大的绝缘性能。yHpednc

为了展示他们材料的前景,研究人员用它来制造晶体管,然后用它们来制造弹性反相器和逻辑门。在最初的测试中,这些组件取得了非常有希望的结果。yHpednc

除了高介电常数和低 EOT 值外,它们还可以拉伸至 40% 的应变,同时保持其绝缘性能。该团队还发现,他们的材料在微加工过程中表现出很高的化学和热稳定性,并且在大面积上保持高度均匀。yHpednc

未来,该团队的材料可以制造出新的本征可拉伸且高性能的晶体管和逻辑电路,消耗更少的电能。这些晶体管和电路可用于制造许多软电子产品,包括可穿戴和可植入设备。yHpednc

责编:Demi
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