福建物構所金屬-有機框架薄膜的組裝及性能研究獲進展

2021-01-18 中國科學院

　　開發和研究具有高介電常數、低漏流和高擊穿電壓的功能器件對柵極介電薄膜材料和高電子傳輸二極體等電子器件材料具有重要的意義。當前，大部分柵極介電薄膜材料都是基於傳統的矽基電子元件材料。然而，傳統的矽基材料在實際應用中常常會面臨高介電損耗以及由於厚度引起的隧穿效應等問題。為此，開發高介電常數薄膜材料有利於增加柵極薄膜的厚度而不會產生過多的介電損耗和隧穿效應。傳統的無機氧化物，如氧化鉿（HfO2）、氧化鋯（ZrO2）等已被報導是具有高介電常數的良好材料，而這些無機氧化物組裝成器件的時候往往易碎，且與基片的相容性較弱。人們也常將有機聚合物沉積到固體基片表面來解決基片的相容性問題，然而有機聚合物本身介電常數較小，不能滿足高介電常數的需求。有機-無機複合薄膜是將無機組分和有機組分結合在一起，其在柵極介電材料的組裝方面具有廣泛應用。但有機組分和無機組分簡單的結合，往往容易面臨缺陷以及作用力弱等問題。

　　中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室曹榮研究團隊在科技部「973」項目、國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項和教育部能源材料化學協同創新中心(2011•iChEM)的資助下，設計合成特定的金屬-有機框架化合物（MOF），隨後組裝構築形成金屬-有機框架膜。該研究團隊利用柔性三齒羧酸配體設計合成了具有新穎構型的穿插型MOF，並採用電化學生長的方法，將該MOF組裝到導電基片的表面。通過對粉體和薄膜的介電常數的測試，發現將該MOF粉體組裝成薄膜後，薄膜的介電常數為粉體的三倍；對經典的穿插和非穿插型MOF的介電性能進行實驗測試和理論計算後，發現在一定的溫度範圍內，穿插結構可以增加MOF的介電性能。機械性能測試和漏流測試表明，所製備的MOF薄膜材料具有良好的機械性能和高絕緣及低漏流性能，在電子器件領域具有潛在應用，相關研究結果發表在《自然·通訊》（Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms11830）。

　　此前，該研究團隊利用原位生長方法構築金屬-有機框架薄膜，探索了薄膜的傳感與傳輸性能(Langmuir, 2013, 29, 8657)、抗菌性能（Adv. Mater. Interface, 2014, 2, 1400405），採用電化學方法成功製備了金屬-有機框架薄膜，並探索其在傳感方面的應用(J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 19473)；同時，採用電化學輔助微波合成法，優化了電化學生長方法，成功製備了鑭系金屬-有機框架薄膜(Chem. Commun., 2016, 52, 3951)，拓展了金屬-有機框架薄膜的製備方法和開發了金屬-有機框架膜的潛在應用。

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福建物構所金屬-有機框架薄膜的組裝及性能研究獲進展

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