開(kāi)發(fā)和研究具有高介電常數(shù)、低漏流和高擊穿電壓的功能器件對(duì)柵極介電薄膜材料和高電子傳輸二極管等電子器件材料具有重要的意義。當(dāng)前，大部分柵極介電薄膜材料都是基于傳統(tǒng)的硅基電子元件材料。然而，傳統(tǒng)的硅基材料在實(shí)際應(yīng)用中常常會(huì)面臨高介電損耗以及由于厚度引起的隧穿效應(yīng)等問(wèn)題。為此，開(kāi)發(fā)高介電常數(shù)薄膜材料有利于增加?xùn)艠O薄膜的厚度而不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的介電損耗和隧穿效應(yīng)。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)氧化物，如氧化鉿（HfO2）、氧化鋯（ZrO2）等已被報(bào)道是具有高介電常數(shù)的良好材料，而這些無(wú)機(jī)氧化物組裝成器件的時(shí)候往往易碎，且與基片的相容性較弱。人們也常將有機(jī)聚合物沉積到固體基片表面來(lái)解決基片的相容性問(wèn)題，然而有機(jī)聚合物本身介電常數(shù)較小，不能滿(mǎn)足高介電常數(shù)的需求。有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合薄膜是將無(wú)機(jī)組分和有機(jī)組分結(jié)合在一起，其在柵極介電材料的組裝方面具有廣泛應(yīng)用。但有機(jī)組分和無(wú)機(jī)組分簡(jiǎn)單的結(jié)合，往往容易面臨缺陷以及作用力弱等問(wèn)題。
中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所結(jié)構(gòu)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曹榮研究團(tuán)隊(duì)在科技部“973”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)和教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心(2011•iChEM)的資助下，設(shè)計(jì)合成特定的金屬-有機(jī)框架化合物（MOF），隨后組裝構(gòu)筑形成金屬-有機(jī)框架膜。該研究團(tuán)隊(duì)利用柔性三齒羧酸配體設(shè)計(jì)合成了具有新穎構(gòu)型的穿插型MOF，并采用電化學(xué)生長(zhǎng)的方法，將該MOF組裝到導(dǎo)電基片的表面。通過(guò)對(duì)粉體和薄膜的介電常數(shù)的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)將該MOF粉體組裝成薄膜后，薄膜的介電常數(shù)為粉體的三倍；對(duì)經(jīng)典的穿插和非穿插型MOF的介電性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)在一定的溫度范圍內(nèi)，穿插結(jié)構(gòu)可以增加MOF的介電性能。機(jī)械性能測(cè)試和漏流測(cè)試表明，所制備的MOF薄膜材料具有良好的機(jī)械性能和高絕緣及低漏流性能，在電子器件領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《自然·通訊》（Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms11830）。
此前，該研究團(tuán)隊(duì)利用原位生長(zhǎng)方法構(gòu)筑金屬-有機(jī)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），采用電化學(xué)方法成功制備了金屬-有機(jī)框架薄膜，并探索其在傳感方面的應(yīng)用(J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 19473)；同時(shí)，采用電化學(xué)輔助微波合成法，優(yōu)化了電化學(xué)生長(zhǎng)方法，成功制備了鑭系金屬-有機(jī)框架薄膜(Chem. Commun., 2016, 52, 3951)，拓展了金屬-有機(jī)框架薄膜的制備方法和開(kāi)發(fā)了金屬-有機(jī)框架膜的潛在應(yīng)用。
福建物構(gòu)所金屬-有機(jī)框架薄膜的組裝及性能研究獲進(jìn)展
