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  高性能，可低壓運行的柔性場效應晶體管的研究，將進一步推動下一代微型化、柔性可穿戴電子設備的制造與發展。性能優異的彈性體介電層對于柔性場效應晶體管變形期間可靠地控制半導體溝道中的載流子密度至關重要。傳統的彈性體薄膜制備工藝（如旋涂、刮涂等）難以制備無缺陷和針孔的超薄膜，這可能是由于彈性體的軟硬鏈段在極薄厚度下的不良布置所引起的，因此難以在不損傷彈性體絕緣性的同時獲得較高的面積電容。

  基于以上問題，南開大學朱劍教授課題組使用兩種電荷相反的水分散型聚氨酯(PU)，通過靜電吸附層層自組裝的方式制備了薄至15nm的彈性介電層。通過與大多數柔性基板兼容的低溫退火工藝，這種電介質即使在極端彎曲變形下也表現出了高的面積電容和低漏電流。

圖一 (a) 聚氨酯的結構式; (b) 層層自組裝示意圖。

圖二 超薄聚氨酯介電層的介電性能表征：(a) 電容器結構示意圖；(b-f) (PU⁺/PU^-)_n的最優退火溫度和層數的選取（n為自組裝層數）；(g-h) 水相組裝的PU薄膜浸水介電穩定性實驗。

  受益于聚氨酯長鏈提供的熱塑性，經過溫和的退火后，薄膜可自修復內部產生的缺陷和針孔，使得PU超薄膜可提供237 nF cm^-2的高的面積電容和在2V下3.2 × 10^-8 A cm^-2 的低的漏電流。此外，該納米介電層不受高濕度影響，在浸入水之后依然可以保持其介電性能，盡管它們的組裝發生在水相中。

圖三 聚氨酯介電層驅動碳納米管場效應晶體管：(a-f) 硅基板上碳納米管場效應晶體管的性能表征；(g-i) 柔性基板上場效應晶體管的穩定性表征。

  彈性體聚氨酯超薄膜提供了高的面積電容、低的缺陷密度以及優異的抗濕性，使得聚氨酯納米介電層組裝的單壁碳納米管場效應晶體管在空氣中表現出低電壓運行、可忽略的遲滯和高開關比的優異性能和一定的機械穩定性。該工作有望應用于超薄柔性可穿戴設備等領域。

  上述成果以“Elastomeric Nanodielectrics for Soft and Hysteresis-Free Electronics”為題發表在材料學知名期刊《Advanced Materials》上，論文的第一作者為南開大學材料學院博士生趙三川，通訊作者為朱劍教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202104761