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突破性彈性體電介質實現微型化可拉伸電子器件新突破

可拉伸電子器件因其能夠貼合生物組織和器官的特性，在醫療診斷、電子皮膚和人機交互等領域具有重要應用前景。隨著本征可拉伸材料的微圖案化技術的發展，這類器件的集成度已大幅提升。然而，在器件尺寸不斷縮小的過程中，電容器的總電荷存儲能力和晶體管的電流驅動能力等關鍵電學性能往往受到損害。在硅基電路中，器件尺寸的縮小伴隨著柵介質的等比例減薄，以保持單位面積電容并降低工作電壓。但對于通常使用彈性體電介質的可拉伸電子器件而言，當介電層厚度隨器件尺寸按比例減小時，如何保持其介電性能和機械耐久性成為一大挑戰。典型的彈性體電介質，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS），由于其聚合物鏈松散堆砌，形成較大的自由體積，電子在其中容易被加速并引發碰撞電離，最終導致介電擊穿。當薄膜厚度低于100納米時，這種擊穿風險顯著增加。因此，傳統的彈性體電介質通常需要數微米的厚度來保證可靠性，但這會降低單位面積電容，制約器件的微型化發展。

針對上述挑戰，北京大學集成電路學院鄭雨晴團隊提出了一種名為“交聯輔助陷阱創建”（CATCH）的創新方法，通過減少彈性體網絡的自由體積并引入深能級化學陷阱，顯著提升了常見彈性體電介質的擊穿強度。研究人員采用定制化的多臂交聯劑對丁腈橡膠進行處理，使其在84納米厚度下展現出高達589 kV mm?1的擊穿強度，性能堪比金屬氧化物電介質。利用這一改良電介質，團隊成功制備了具有高單位面積電容的可拉伸電容器、低工作電壓的可拉伸晶體管，以及相較于傳統SEBS電介質像素面積縮小123倍的可拉伸1T-1C電荷存儲陣列。此外，研究還展示了一種可在100%應變下以6.78 MHz頻率穩定工作的可拉伸整流器，并成功將其應用于無線控制的小鼠腿部肌肉刺激系統。相關成果以“Ultrathin and robust elastomeric dielectrics using a crosslinking-assisted trap creation method for miniaturized stretchable electronics”為題發表在《Nature Electronics》上，Zeyu Zhong為第一作者。

研究團隊以丁腈橡膠（NR）為模型材料，系統評估了雙臂、三臂和四臂交聯劑在不同配比下對電介質性能的影響。實驗發現，加入交聯劑后，三種體系的擊穿強度均得到提升，且各自存在一個最優的配比。其中，加入60 wt%三臂交聯劑的NR體系表現最為出色，擊穿強度達到589 kV mm?1。動態力學分析顯示，交聯劑含量增加會形成更密集的三維網絡，導致玻璃化轉變溫度（Tg）升高，這表明自由體積減小，從而抑制了電子加速。然而，過量添加交聯劑會導致擊穿強度下降。掠入射小角X射線散射研究表明，這是由于雙臂和四臂交聯劑在高濃度下與NR基體發生相分離，破壞了微觀結構的均勻性。相比之下，三臂交聯劑因其良好的化學相容性，即使在高負載下也能保持均一的無定形結構，為高擊穿強度提供了結構基礎。

圖1 | 用于微型化可拉伸電子器件的超薄強韌彈性體電介質

CATCH策略的另一核心優勢在于利用未反應的巰基形成深能級化學陷阱。傅里葉變換紅外光譜證實，三臂和四臂交聯劑在快速交聯后仍有約15%的巰基未反應，形成懸掛端。分子動力學模擬表明，這種懸掛端會在材料能帶中引入深達0.38 eV的電子陷阱，遠深于完全反應形成的淺陷阱（0.27 eV）。等溫表面電位衰減測試進一步驗證了這些深陷阱的有效性：采用三臂交聯劑的NR體系在1000秒后仍能保持84%的初始表面電位，表明其具備極強的電荷束縛能力。相比之下，原始NR和雙臂交聯劑處理的NR由于缺乏深陷阱，電位衰減迅速。綜合這些結果，CATCH策略通過減少自由體積和引入深陷阱的雙重機制，使得CATCH NR在85納米厚度下的漏電流密度（約10?? A cm?2）比原始NR低兩個數量級，介電常數穩定在18左右，為高性能可拉伸器件奠定了材料基礎。

圖2 | CATCH電介質的表征

為滿足微型化可拉伸電子器件的制造需求，CATCH電介質必須具備大規模集成能力和耐溶劑性。研究團隊通過引入光引發劑，實現了CATCH NR的直接光刻圖案化。僅需400 mJ cm?2的紫外曝光劑量，即可完成交聯，并在顯影后獲得分辨率低至10微米的晶圓級介電圖案。原子力顯微鏡測試表明，經過甲苯和氯苯等常見有機溶劑沖洗后，CATCH NR薄膜的表面形貌和粗糙度幾乎不變，展現出優異的耐溶劑性。更重要的是，經過光刻和顯影等微加工步驟后，CATCH NR的擊穿強度（約521 kV mm?1）和介電常數（約18）均保持穩定，漏電流也無明顯變化，證明其與現有的半導體微納加工工藝高度兼容。

圖3 | CATCH電介質的晶圓級微圖案化和耐溶劑性

將CATCH NR應用于實際器件是其性能的最直接證明。在可拉伸電容器中，厚度約100納米的CATCH NR薄膜在100%應變下仍能保持約200 nF cm?2的穩定單位面積電容，其值比傳統的1微米厚SEBS電容器高出近兩個數量級。即使在100%拉伸下，其漏電流密度也維持在約10?? A cm?2。基于CATCH NR作為柵介質的可拉伸晶體管同樣表現出色。得益于高介電常數和超薄厚度，晶體管的工作電壓降至3V以下，而傳統PDMS或SEBS基晶體管通常需要20V以上。該晶體管在3V下可實現超過1 μA的漏極電流，跨導高達1.88 μS mm?1，代表了可拉伸晶體管的領先水平。在機械性能方面，無論是在平行還是垂直于溝道的方向上拉伸至100%應變，晶體管的開電流和開啟電壓都保持穩定，且在50%應變下經過2000次循環拉伸后，性能退化極小，展現了出色的機械魯棒性。此外，該器件在高濕度和80°C高溫環境下也展現出良好的長期工作穩定性，證實了CATCH電介質的可靠性。

圖4 | 基于CATCH電介質的高性能可拉伸電容器和晶體管

CATCH電介質的優異性能直接推動了可拉伸電子系統的微型化。研究人員構建了兩個用于電荷存儲的1T-1C陣列進行對比：一個使用超薄CATCH NR，另一個則使用1微米厚的SEBS。測試結果顯示，CATCH NR基的單個像素（面積0.4 mm2）可存儲1.56 nC電荷，而為了達到相近的電荷存儲量，SEBS基的像素需要49 mm2的面積，實現了123倍的面積縮減。這一結果直觀展示了通過減薄介電層來等比例縮小器件尺寸的潛力。更進一步，團隊利用CATCH NR基的高跨導晶體管構建了一個半波整流電路。該整流器在10 kHz頻率下可將±10V的輸入信號整流為-1.7V的直流輸出；即使在6.78 MHz的高頻下，仍能輸出-0.31V的電壓，且性能在100%應變下僅有輕微下降。該整流器被集成到一個無線小鼠腿部肌肉電刺激系統中。系統通過接收線圈獲取6.78 MHz的高頻信號，經整流后觸發比較器，最終通過柔性電極將刺激電壓傳遞給小鼠腿部肌肉，成功實現了踢腿和抬腿等動作。整個系統厚度僅6微米，可無縫貼合于小鼠腿部，展示了其在植入式醫療和電子皮膚等領域的巨大應用潛力。

圖5：微型化可拉伸電子系統

總結與展望

本研究報道了一種通過交聯輔助陷阱創建（CATCH）的策略，成功提升了多種彈性體電介質在減薄狀態下的介電強度。以丁腈橡膠為例，其擊穿強度達到了可與金屬氧化物電介質媲美的水平，同時保持了優異的耐溶劑性、可拉伸性和絕緣性能。利用這種改良電介質，研究團隊實現了可拉伸電容器和晶體管的微型化，獲得了高單位面積電容和電流驅動能力，并成功構建了像素面積大幅縮減的1T-1C存儲陣列以及可植入式高頻無線肌肉刺激系統。這一策略為在高性能微型化可拉伸電子器件中構建強韌的超薄介電和絕緣層提供了有效的解決方案，有望推動未來電子皮膚、植入式醫療設備和智能假肢等領域的發展。