一种新型弹性聚合物电介质用于制造晶圆级可拉伸电子产品

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/分形互连的刚性岛有源电池、中性机械平面或双层结构。

尽管可拉伸材料的制造取得了重大进展，但事实证明仍难以克服一些挑战。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。

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。NatureElectronics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。

“最近，已经提出了采用软材料的各种方法来开发本质上可拉伸的电子产品，由于其固有的可变形性，不需要任何特定的结构设计，”进行这项研究的研究人员之一DongheeSon告诉TechXplore。“然而，此类设备采用溶液处理的介电材料，因此在实现高电气性能方面遇到了严峻挑战。”

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。

由于这些限制，基于这些溶液处理材料的电子元件受到栅极可控性差、工作电压高以及可扩展性有限的困扰。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。

“在我们的研究中，我们提出了一种设计介电材料的新方法，以解决上述固有可拉伸电子设备中的挑战，”Son解释说。“我们的大规模真空沉积可拉伸电介质使本质可拉伸设备的可扩展制造成为可能，其电气性能可与使用不可拉伸无机和可拉伸有机电介质材料(例如，通过原子层沉积和自旋沉积的Al2O3)制造的设备相媲美-涂层粘弹性层)。”

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。

“单体(INA和V3D3)的混合比例经过优化，以实现设备的绝缘和拉伸性能，”Son说。“我们的真空沉积聚合物电介质介电常数为3.59，击穿电场为2.3MV/cm，其等效氧化物厚度(EOT)值小于200nm，这是迄今为止报道的可拉伸电介质层中的最低值。”

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。

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。

“我们的是真空沉积可拉伸电介质的第一个说明，也证明了它在本质上可拉伸的电子设备中的应用，”Son说。“换句话说，与传统的厚聚合物电介质相比，可拉伸真空沉积纳米厚膜(约160纳米)具有卓越的电气、机械和化学性能。我们真空沉积方法固有的卓越优势可以促进开发高性能晶圆可扩展的可穿戴设备。我们的研究观察将改变软电子的传统范式。”

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。

“我认为在可伸缩电子设备中实现节能性能将是可靠可穿戴设备长期发展中最重要的问题，”Son补充道。“因此，真空沉积绝缘材料的厚度应该越来越薄，以提高栅极可控性，同时保持可拉伸性。此外，其介电常数将提高到10以上，与高k无机电介质相当。“

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