[发明专利]一种具有高介电性能的MOF薄膜材料及其制备与应用

说明书

技术领域

本发明属于新型电子器件材料的设计领域，具体涉及金属-有机框架化合物材料组装成薄膜材料后在电子器件领域的开发应用，尤其涉及栅极介电材料的潜在替代材料的开发方面。

背景技术

在过去的几十年中，高介电常数材料，又称“高κ”材料，由于它们在薄膜晶体管和电子迁移管方面的潜在应用，吸引了众多研究者们的兴趣。所谓的“高κ”材料是指具有介电常数大于二氧化硅介电常数(3.9)、低漏电电流、高击穿场强等特点的材料。传统的硅基电子元件几乎统治了所有的栅极介电材料。然而，在薄膜晶体管的应用中，硅基材料的使用存在着一些缺陷，比如介电常数低、加工过程中不易处理等。因此开发新型的介电材料是一个刻不容缓的课题。首先可以增加栅极的厚度，而不增加隧道效应电流或者漏电电流。研究者们常用无机铪的氧化物(HfO₂)和锆的氧化物(ZrO₂)作为高κ材料，但纯无机氧化物易碎且不能很好的与基片相容，需要较高的处理温度和超高真空技术等较苛刻的条件。随后，柔性有机聚合物薄膜展现了和基片很好的兼容性，然而它们自身往往呈现较低的介电常数和较低的热稳定性。近日，科学家结合了具有高κ性能的无机组分材料和与柔性、与基片具有良好兼容性性能的有机分子的形成无机-有机复合栅极材料。然而，有机组分和无机组分之间组装和相容性也是制备薄膜的一个很大的挑战。弱的相容性导致了薄膜的缺陷的产生，从而在性能方面产生一定的瑕疵。此外，新型非晶复合栅极材料不大可能通过晶态的择优取向或者结构组装等方面进行调节介电性能。

金属-有机框架化合物(metal-organicframeworks,MOFs)是由有机组分和金属离子(无机组分)通过一定的配位方式配位而成的一类化合物。为此，金属-有机框架化合物兼具了有机组分和无机组分的共同特性，而且也不存在无机组分和有机组分之间弱相容性的问题。然而，虽然目前有许多的金属-有机框架化合物的介电性能的报道，但大多数是以粉体的形式被利用，而且大部分的是铁电性能。实际应用过程中，组装MOFs材料到基片的表面以及MOFs材料与基片良好的相容性是将MOFs材料应用于电子元件中必需的条件。目前，关于设计介电常数和机械性能的MOFs薄膜材料的研究尚未见报道。通过电化学法组装互相穿插型MOFs作为高择优取向的薄膜来增强MOFs薄膜的介电性能的相关研究目前也尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是聚焦于设计具有新颖结构的MOFs，并将其组装到固体基质的表面形成功能性MOFs薄膜，并探讨其在在栅极电解质材料中的潜在应用。

本发明提出了基于三齿羧酸配体1,3,5-tris[4-(carboxyphenyl)oxamethyl]-2,4,6-trimethylbenzene(H₃TBTC)的具有新颖结构的{[H₂N(CH₃)₂][Zn(TBTC)]}·2DMF·EtOH的制备方法，配体的结构式如下：

本发明采用电化学组装法将MOFs组装到金属锌片的表面形成MOFs薄膜。

本发明制备的MOFs薄膜在介电器件方面具有潜在的应用，尤其是栅极介电器件领域。

本发明制备的{[H₂N(CH₃)₂][Zn(TBTC)]}·2DMF·EtOH薄膜是首次合成的。该材料是利用电化学组装法，将穿插型的化合物{[H₂N(CH₃)₂][Zn(TBTC)]}·2DMF·EtOH组装到金属锌片的表面形成MOFs薄膜。该薄膜展现出的介电常数是其体相材料的三倍，而且比大部分MOFs材料的介电常数都较高。这表明，该薄膜具有很好的介电性能。此外，本发明制备的薄膜具有良好的机械性能，较低的漏电电流和较高的击穿电压。这表明本发明制备的薄膜材料有望于应用到电子器件领域，尤其时栅极介电材料的替代材料方面。

附图说明

图1为所制备的薄膜的扫描电镜图

图2为化合物{[H₂N(CH₃)₂][Zn(TBTC)]}·2DMF·EtOH和薄膜的介电测试曲线

具体实施方式

实施例1：化合物{[H₂N(CH₃)₂][Zn(TBTC)]}·2DMF·EtOH的制备