在過去的幾年里，材料科學(xué)家和電子工程師一直在嘗試制造新的柔性無機材料，以創(chuàng)造可拉伸和高性能的電子設(shè)備。這些設(shè)備可以基于不同的設(shè)計，例如具有蛇形/分形互連的剛性島活性電池、中性機械平面或雙層結(jié)構(gòu)。

盡管在可拉伸材料的制造方面取得了重大進展，但事實證明，一些挑戰(zhàn)難以克服。例如，具有波浪形或蛇形互連設(shè)計的材料通常具有有限的面積密度，并且制造提議的可拉伸材料通常既困難又昂貴。此外，許多現(xiàn)有可拉伸材料的剛度與人體皮膚組織的剛度不匹配，使它們在皮膚上不舒服，因此不適合創(chuàng)建可穿戴技術(shù)。

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成均館大學(xué)(SKKU)、基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)、首爾國立大學(xué)(SNU)和韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)的研究人員最近制造了一種真空沉積彈性聚合物，用于開發(fā)可拉伸電子產(chǎn)品。這種材料在Nature Electronics上介紹，可用于制造有彈性的場效應(yīng)晶體管(FET)，這是當今市場上大多數(shù)電子設(shè)備的主要組件。

“最近，已經(jīng)提出了采用軟材料的各種方法，用于開發(fā)本質(zhì)上可拉伸的電子產(chǎn)品，由于其固有的可變形性，不需要任何特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計，”進行這項研究的研究人員之一Donghee Son告訴Tech Xplore?！叭欢?，此類設(shè)備采用溶液處理的介電材料，因此在實現(xiàn)高電氣性能方面遇到了關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

溶液處理的有機柵極介電材料，可以在不導(dǎo)電的情況下傳輸電力(即絕緣)的材料，不是特別適合制造柔性電子產(chǎn)品。最值得注意的是，它們的厚度在微米級，絕緣性能差，化學(xué)不穩(wěn)定和低均勻性。此外，它們通常與傳統(tǒng)的微細加工工藝不兼容，因此難以大規(guī)模生產(chǎn)。

由于這些限制，基于這些溶液處理材料的電子元件受到柵極可控性差、工作電壓高以及可擴展性有限的困擾。因此，Son和他的同事以及全球其他研究團隊一直在嘗試通過替代制造策略創(chuàng)造超薄，可拉伸，可擴展和高性能的電介質(zhì)。

“在我們的研究中，我們提出了一種設(shè)計介電材料的新方法，以解決固有可拉伸電子設(shè)備中的上述挑戰(zhàn)，”Son解釋說?！拔覀兊拇笠?guī)模真空沉積可伸縮電介質(zhì)能夠可擴展地制造固有可伸縮器件，其電氣性能可與使用不可拉伸的無機和可拉伸有機電介質(zhì)材料(例如，Al2O3通過原子層沉積和旋涂粘彈性層沉積)。

為了創(chuàng)建基于聚合物的電介質(zhì)，Son和他的同事首先使用稱為引發(fā)化學(xué)氣相沉積(iCVD)的工藝共聚了兩種不同的單體，即丙烯酸異壬酯(INA)和1，3，5-三甲基-1，3，5-三甲基-3，3，3-try乙烯基環(huán)三硅氧烷(V3D<>)。單體INA充當軟鏈段，增加材料的拉伸性，而V<>D<>用作可交聯(lián)的硬鏈段，使聚合物薄膜具有強大的絕緣性能。

“優(yōu)化了單體(INA和V3D3)的混合比例，以實現(xiàn)設(shè)備的絕緣和拉伸性能，”Son說?！拔覀兊恼婵粘练e聚合物電介質(zhì)，介電常數(shù)為3.59，擊穿場為2.3 MV / cm，顯示等效氧化物厚度(EOT)值小于200 nm，這是迄今為止報告的可拉伸介電層中最低的值。

為了證明他們的材料前景，研究人員用它來制造晶體管，然后用它們來制造有彈性的逆變器和邏輯門。在最初的測試中，這些組件取得了非常有希望的結(jié)果。

除了高介電常數(shù)和低EOT值外，它們還可以拉伸到40%的應(yīng)變，同時保持其絕緣性能。研究小組還發(fā)現(xiàn)，他們的材料在微細加工過程中表現(xiàn)出很高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，并且在大面積上保持高度均勻。

“我們是真空沉積可伸縮電介質(zhì)的第一個帳戶，也展示了其在固有可拉伸電子設(shè)備中的應(yīng)用，”Son說?！皳Q句話說，與傳統(tǒng)的厚聚合物電介質(zhì)相比，可拉伸真空沉積納米厚膜(約160納米)具有出色的電氣，機械和化學(xué)性能。我們的真空沉積方法固有的卓越優(yōu)勢可以促進高性能晶圓可擴展可穿戴設(shè)備的開發(fā)。我們研究的觀察結(jié)果將改變軟電子的傳統(tǒng)范式。

在未來，該團隊的材料可以制造新的固有可拉伸和高性能晶體管和邏輯電路，消耗更少的電力。這些晶體管和電路可用于制造許多軟電子產(chǎn)品，包括可穿戴和植入式設(shè)備。

“我認為在可拉伸電子設(shè)備中實現(xiàn)節(jié)能性能將是可靠可穿戴設(shè)備長期發(fā)展中最重要的問題，”孫正義補充道?！耙虼?，真空沉積絕緣材料的厚度應(yīng)越來越薄，以提高澆口的可控性，同時保持拉伸性。此外，其介電常數(shù)將提高到10以上，與高k無機電介質(zhì)相當。