場效應晶體管是CPU、傳感器和顯示器的核心部件，其中，介電層對調節晶體管的整體性能方面起到至關重要的作用。目前，電介質材料仍然存在多種缺點，比如具有強偶極子耦合的鐵電材料或極性聚合物電介質中的高極性基團在高電場下表現出明顯的極化滯后，導致器件高損耗。具有高介電常數的納米顆粒添加劑雖可有效提高聚合物薄膜的電容，但同時也會增加漏電損耗并降低介電層的擊穿強度。因此，聚合物介電常數和損耗之間的內在平衡已經嚴重阻礙了高性能聚合物介電材料的發展。
中國科學院福建物質結構研究所團隊提出了一種解決方案，即設計一種單分散的圓盤狀Ce-Al-O（Ce@AlM-4）大環作為聚合物介質中的摻雜劑。由于Ce@AlM-4的三價離子特性，摻雜后的聚合物薄膜相對介電常數增大可達7倍；Ce@AlM-4具有良好的電荷散射和俘獲能力，以及巨大的分子尺寸，可有效降低漏電密度和介電損耗，提高擊穿強度。另外，Ce@AlM-4豐富的外圍苯基以及彼此之間的靜電斥力，使Ce@AlM-4可以很好地分散在聚合物基體中，最大程度消除了缺陷位點，進一步增強擊穿強度。基于上述優點，摻雜Ce@AlM-4的聚合物介電材料所構筑的場效應晶體管在保持低泄漏電流水平的同時，提供近三個數量級的源漏電流增量，從而獲得更高的電荷載流子遷移率和開/關比。該工作打破了聚合物介電常數和損耗之間的內在平衡，為聚合物復合介電材料提供了獨特的設計思路。
相關成果以Breaking the Trade-Off Between Polymer Dielectric Constant and Loss via Aluminum Oxo Macrocycle Dopants for High-Performance Neuromorphic Electronics為題于近期發表在《先進材料》上。
聚合物電介質設計策略的比較