本申請要求2014年4月16日提交的美國臨時申請?zhí)?1/980,390的權(quán)益，其內(nèi)容通過引用以其全部并入本文。

關(guān)于聯(lián)邦資助研究或開發(fā)的聲明

利用由空軍科學研究辦公室授予的合同F(xiàn)A9550-12-1-0190下的政府支持完成本發(fā)明。政府在本發(fā)明中具有某些權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開內(nèi)容一般地涉及極性彈性體和其在電子和光電子器件中的用途。

背景技術(shù)：

具有高增益和高跨導二者的場效應晶體管(FET)對寬范圍的應用是期望的，包括邏輯電路、顯示驅(qū)動器和傳感?；谟袡C半導體的高性能FET，即有機FET(OFET)，由于其與低成本、高通量制造工藝的相容性和與軟組織的機械順從性是特別感興趣的。然而，由于其相對低的電荷載流子遷移率，利用有機半導體實現(xiàn)高跨導是挑戰(zhàn)性的。為了處理這些挑戰(zhàn)，已經(jīng)做出嘗試以開發(fā)具有高電容的介電層，比如使用超薄自組裝單層(SAM)、摻雜離子的聚合物電解質(zhì)和離子凝膠電解質(zhì)作為OFET的介電層。然而，由于SAM制作的低產(chǎn)量、液體/凝膠材料與標準制造工藝的不相容性和離子介電材料的高濕度敏感性，在將上述介電層用于實際應用中仍存在挑戰(zhàn)。

在此背景下，出現(xiàn)了開發(fā)本文描述的實施方式的需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本公開內(nèi)容的一個方面涉及電子或光電子器件。在一些實施方式中，器件包括：(1)半導體層；(2)電連接至半導體層的電極對；和(3)與半導體層接觸并且包括極性彈性體的介電層，其中彈性體具有不大于25℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T_g。

在另外的實施方式中，器件包括：(1)半導體層；(2)電連接至半導體層的電極對；和(3)與半導體層接觸并且包括極性彈性體的介電層，其中彈性體包括離子并且具有不大于1×10^-6S/cm的離子電導率。

在進一步的實施方式中，器件是晶體管，其包括：(1)半導體層；(2)電連接至半導體層的漏極(drain electrode)；(3)電連接至半導體層的源極(source electrode)；(4)柵電極；和(5)柵介電層(gate dielectric layer)，其中柵介電層被布置在柵電極和半導體層之間，并且柵介電層包括極性彈性體，所述極性彈性體具有不大于25℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T_g并且具有至少1×10^-12S/cm并且至多1×10^-6S/cm的離子電導率。

本公開內(nèi)容的其它方面和實施方式也被考慮。前述概述和下列詳細描述不意為將本公開內(nèi)容限制于任何具體的實施方式，而是僅僅意為描述本公開內(nèi)容的一些實施方式。

附圖說明

為了更好地理解本公開內(nèi)容的一些實施方式的性質(zhì)和目標，應當結(jié)合附圖參考下列詳細描述。

圖1：a，通過如下測量的鐵電性聚合物的典型的極化-電壓曲線：通過將鐵電性聚合物層夾在中間的電極對施加跨越鐵電性聚合物層的時變電壓。b，通過相似測試設(shè)置測量的本公開內(nèi)容的一些實施方式的極性彈性體的實例極化-電壓曲線。

圖2(a)、2(b)、2(c)和2(d)：根據(jù)本公開內(nèi)容的一些實施方式的FET的多種配置的示意圖。

圖3(a)和3(b)：根據(jù)本公開內(nèi)容的一些實施方式的額外器件的配置的示意圖。

圖4：極性彈性體偏氟乙烯/六氟丙烯共聚物(e-PVDF-HFP)膜的化學結(jié)構(gòu)、器件結(jié)構(gòu)示意圖和表征。a，e-PVDF和聚(四噻吩并苯-吡咯并吡咯二酮)(PTDPPTFT4)的晶體管器件結(jié)構(gòu)和化學結(jié)構(gòu)。b-c，PTDPPTFT4的輸出和轉(zhuǎn)移特性(溝道長度L＝大約50μm，溝道寬度W＝大約1,000μm)，其中V_DS＝大約-5V。電介質(zhì)的厚度是大約1.4μm。觀察到I_DS^1/2對V_G曲線圖中的兩個斜率。這可以歸因于在器件中存在接觸電阻。大約+0.2V至大約-2V的范圍中的第一斜率用于估算遷移率值。

圖5：在e-PVDF-HFP和半結(jié)晶偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(c-PVDF-HFP)上制作的PTDPPTFT4晶體管的器件特性。a，在具有不同厚度的e-PVDF-HFP介電層上制備的有機薄膜晶體管(OTFT)的轉(zhuǎn)移曲線。b，通過使用大約20Hz、大約0.1Hz和準靜態(tài)值下的電容測定的作為e-PVDF-HFP的厚度的函數(shù)的對應場效應遷移率。采用大約20Hz下的電容導致在轉(zhuǎn)移特性測量期間低估實際電荷載流子密度并且因此夸大遷移率值。c，正向和反向掃描中的器件特性。d，在e-PVDF-HFP(實跡線)和十八烷基三氯硅烷(OTS)-改性的SiO₂(虛跡線)上形成的PTDPPTFT4場效應晶體管(FET)的溫度依賴性跨導。e，在具有不同厚度的c-PVDF-HFP介電層上形成的OTFT的轉(zhuǎn)移曲線。f，通過使用大約20Hz和準靜態(tài)值下的電容測定的作為c-PVDF-HFP的厚度的函數(shù)的對應場效應遷移率。

圖6：基于e-PVDF-HFP介電層的OTFT的電特性，其中W/L＝大約20。聚(3-己基噻吩)(P3HT)、石墨烯和苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的OTFT的轉(zhuǎn)移和輸出特性分別在a、b和c中。注意在線性區(qū)(linear-regime)中估算石墨烯器件的轉(zhuǎn)移特性，其中V_DS＝大約-0.1V。每個圖板展示轉(zhuǎn)移曲線，在插入的較小的圖中顯示輸出特性。d，不同的電介質(zhì)之間的跨導比較。所有跨導被歸一化為大約-3V的驅(qū)動柵電壓。黑點顯示從基于常用介電層的OFET獲得的跨導，所述常用介電層包括交聯(lián)的Cytop(厚度＝大約50-70nm)、交聯(lián)的聚苯乙烯(PS)(厚度＝大約10nm)、交聯(lián)的聚(乙烯基苯基)(PVP)(厚度＝大約280nm)、SiO₂(厚度＝大約230-300nm)和半結(jié)晶PVDF-HFP(厚度＝大約1.4μm)。注意所有SiO₂電介質(zhì)被OTS自組裝單層(SAM)改性。垂直虛線右邊的點表示從基于e-PVDF-HFP的OFET獲得的性能。所有e-PVDF-HFP器件的跨導比在OTS-改性的SiO₂上制成的相同材料高大約一個數(shù)量級。e，具有作為介電層的e-PVDF-HFP的PTDPPTFT4晶體管(L＝大約50μm，W＝大約1,000μm)的I_DS和I_G電流對頻率，其中V_DS＝大約-15V，V_G＝大約10V至大約-10V?；贗_DS和I_G的交叉估算截止頻率(f_c)。f，PTDPPTFT4對大約1kHz下的方波函數(shù)柵-電壓脈沖的I_DS響應，脈沖寬度＝大約1ms，脈沖上升時間＝大約4μs，并且溝道長度＝大約50μm。響應時間被規(guī)定為從20％斷(off)達到最大通電流(on-current)的80％的時間。

圖7：具有作為半導體材料的PTDPPTFT4的e-PVDF-HFP器件的偏壓應力分析。a，在環(huán)境條件中，V_G＝大約-0.5、大約-1、大約-3和大約-5V下的PTDPPTFT4FET的偏壓應力性狀(I_DS對時間)。b，在空氣(實心符號)和去離子(DI)水(空心符號)中，在每個偏壓周期結(jié)束時測量的電流I_D和泄漏電流I_G上的長期偏壓。施加V_D＝V_G＝大約-0.5V的偏壓，并且在每個偏壓步驟前和緊接著每個偏壓步驟后測量轉(zhuǎn)移特性。c和d，分別在空氣和DI水中，長期偏壓期間線性和飽和區(qū)二者中的遷移率和閾值電壓的漂移的進化。利用準靜態(tài)電容計算場效應遷移率。通過在時間中進行線性回歸來分析遷移率的減小，其展示分別對于空氣和DI水中的器件大約-0.22％/小時和大約-0.25％/小時的斜率。曲線圖中的中斷是新的測量周期的開始并且假如器件暴露于DI水則再填充注射泵。

圖8：e-PVDF-HFP的物理性質(zhì)。a，e-PVDF-HFP和半結(jié)晶PVDF-HFP聚合物的差示掃描量熱法(DSC)跡線。缺少半結(jié)晶聚合物特有的熔融峰指示當將HFP單元的摩爾分數(shù)增加至大約45％時形成無定形物。從總的氟重量百分比(大約65.9％)計算e-PVDF-HFP中VDF和HFP單元的分數(shù)。b，e-PVDF-HFP的應力-應變循環(huán)的測試。e-PVDF-HFP顯示多至大約50％應變的彈性性質(zhì)并且維持多至大約100％應變的一些彈性。顯著的塑性變形在超過大約100％應變時開始出現(xiàn)并且在大約150％應變時導致材料破裂。

圖9：e-PVDF-HFP聚合物的核磁共振(NMR)光譜。a，e-PVDF-HFP的¹H NMR。通過VDF(箭頭)和交聯(lián)劑(圓圈)上質(zhì)子的整合計算交聯(lián)劑的百分比。交聯(lián)劑的量計算為大約1mol.％。b，半結(jié)晶PVDF-HFP的¹⁹F NMR；HFP單元的摩爾分數(shù)計算為大約10％。c，具有大約1.4μm的厚度的e-PVDF-HFP膜的表面形態(tài)的原子力顯微鏡學(AFM)圖像。

圖10：VDF-HFP單元中偶極矩的計算。a，e-PVDF-HFP的電荷密度分布和優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)的密度泛函理論(DFT)混合泛函計算。已經(jīng)利用Gaussian-09軟件使用B3LYP/6-31G(d)基組DFT混合泛函實施了PVDF-HFP的電荷密度分布、總偶極矩和優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)的計算。根據(jù)計算，觀察到沿著PVDF-HFP主鏈存在大的極化。這導致在聚合物鏈上與最極化的區(qū)域不同的局部偶極矩，所述最極化的區(qū)域?qū)赩DF和HFP單元之間的接頭。b，分子的能量計算為標記2C和16C的原子(圖中的箭頭)之間的雙面角(沿著鍵旋轉(zhuǎn))的函數(shù)。利用Gaussian-09軟件使用B3LYP/6-31G(d)基組DFT混合泛函實施了總偶極矩和結(jié)構(gòu)能量計算。PVDF-HFP的優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)被用作此坐標掃描的起始點。根據(jù)計算，觀察到強的局部偶極存在于在VDF-HFP鍵的最有利的旋轉(zhuǎn)下的VDF和HFP交叉處。

圖11：電容作為e-PVDF-HFP、c-PVDF-HFP和聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)的介電層厚度的函數(shù)的相關(guān)性。a，通過RC電路的充電/放電測定的大約20Hz、大約0.1Hz和準靜態(tài)電容下的e-PVDF-HFP的電容值。大約20Hz下的電容值與介電層的厚度成反比例，其表示介電層的常規(guī)充電過程。大約0.1Hz的低頻率下的值——其接近靜態(tài)極限——由于雙電層充電過程不展示對介電層厚度的相關(guān)性。結(jié)果與基于RC電路的充電/放電的準靜態(tài)電容一致。b，大約20Hz下的c-PVDF-HFP的電容展示與其厚度成反比例的趨勢，其非常接近準靜態(tài)電容。c，大約20Hz下的PDMS的電容與其厚度成反比例。

圖12：在e-PVDF-HFP(大約1.4μm厚度)上由多種有機半導體形成的OTFT的轉(zhuǎn)移特性。所有器件包括具有L＝大約50μm和W＝大約1,000μm的底部-柵和頂部-接觸金(Au)漏極和源極。所有器件在氮氣氛中測量。a，P3HT(V_DS＝大約-5V)b，PII2T(V_DS＝大約-10V)c，PCBM(V_DS＝大約+7V)d，基于PCBM的OTFT的輸出特性。e，在具有大約1.4μm-厚的e-PVDF-HFP層的Au/e-PVDF-HFP/鋁(Al)的器件中測量的柵極漏電流對電壓的曲線。

圖13：不同的頻率下大約1.4μm厚的e-PVDF-HFP的電容。使用Biologic VMP3電化學工作站測量電容。在大約10Hz至大約105Hz的范圍內(nèi)的頻率中，電容大致上是恒定值，其對應于電容器的常規(guī)充電過程。大約10Hz以下電容值的激增是由于雙電層充電。

圖14：大約10^-2至大約10⁵Hz的頻率范圍內(nèi)的介電常數(shù)光譜。ε′(在a中)和ε″(在b中)分別表示電容率的實部和虛部。ε″從大約1至大約100Hz與頻率成反比，其允許離子電導率開方為大約8×10^-11S/cm。使用Biologic VMP3電化學工作站測量所述值。

圖15：基于RC電路的充電/放電的準靜態(tài)電容測量。a、d，測量設(shè)置的示意圖。Keithley SourceMeter型號2400被用于給電路充電。Keithley SourceMeter型號2635A被用作電壓計。對于充電周期，500±50MΩ的電阻與K2400計串聯(lián)連接，而對于放電周期，電阻器并聯(lián)連接。b、e，電容樣品上的測量的電壓降，施加的U₀＝大約0.25、大約0.5、大約0.75、大約1、大約1.25、大約1.5、大約1.75和大約2V的電壓。c、f，基于具有大約1.4μm的厚度的e-PVDF-HFP的典型器件的充電和放電的計算的柵-電容，其展示C_i＝287±31nF/cm²。

圖16：在具有不同厚度的PDMS介電層上制作的OTFT的器件特性。a，晶體管器件結(jié)構(gòu)的示意圖。器件采用底部-接觸、底部-柵結(jié)構(gòu)。由鉻(Cr)/Au(大約5nm/大約40nm)形成的源極/漏極在具有不同厚度的PDMS介電層上預成型(pre-pattern)，接著是在大約5mm厚的PDMS襯底的協(xié)助下將有機半導體層壓至電極上的轉(zhuǎn)移過程。因為當將有機半導體直接地旋涂(spun)在PDMS上時PDMS的膨脹問題，所以使用此過程。b，作為PDMS介電層的厚度的函數(shù)的OTFT的轉(zhuǎn)移曲線。c，隨著PDMS的厚度增加遷移率減小。在具有較薄的介電層的器件中觀察到的較高的遷移率歸因于高電荷載流子密度處阱的有效填充。

圖17：PTDPPTFT4的線性區(qū)電流-電壓曲線。a，輸出和b，PTDPPTFT4的轉(zhuǎn)移特性，其中溝道長度＝大約100μm且溝道寬度＝大約2,000μm。

圖18：在半結(jié)晶PVDF-HFP介電層上形成的PTDPPTFT4對照器件的典型的電流-電壓曲線。a，輸出和b，轉(zhuǎn)移特性(V_DS＝大約-80V)，其中溝道長度＝大約50μm且溝道寬度＝大約1,000μm。半結(jié)晶PVDF-HFP(厚度是大約1.5μm)的電容在惰性氣氛中測量。在e-PVDF-HFP(大約1.4μm)上制作器件時，對于比得上的大約10^-4A的通-電流，施加大約-60V的高的柵壓。來自飽和區(qū)的計算的遷移率是0.38±0.03cm²V^-1s^-1。I_開/I_關(guān)和V_TH分別是大約3×10⁵和0±4V。

圖19：多種介電表面上的PTDPPTFT4薄膜的分子堆積(molecular packing)。a，OTS-改性的SiO₂介電層上的PTDPPTFT4的掠入射X射線衍射(GIXD)圖案。b，ePVDF-HFP上的PTDPPTFT4的GIXD圖案。c，分別地OTS-改性的SiO₂和ePVDF-HFP上PTDPPTFT4薄膜的Q_z＝(200)衍射峰下的方位角X射線衍射(XRD)概況。與OTS-改性的SiO₂上的膜相比，e-PVDF-HFP上的PTDPPTFT4膜呈現(xiàn)更窄的衍射峰，其指示有機半導體在e-PVDF-HFP的表面上具備較大的晶粒大小。額外地，觀察到e-PVDF-HFP上的π-π堆積距離(stacking distance)從大約減小至大約并且片晶(lamella)堆積距離從大約增加至大約

圖20：e-PVDF-HFP介電層(大約1.4μm)上的PTDPPTFT4晶體管的溫度依賴性性狀。利用具有L＝大約50μm和W＝大約1,000μm的底部-柵和頂部-接觸Au電極形成晶體管。a，在不同溫度下操作的PTDPPTFT4FET的轉(zhuǎn)移曲線。b，在冷卻期間在具有或不具有連續(xù)施加的大約-5V的柵偏壓(gate bias)的情況下測量的PTDPPTFT4FET的轉(zhuǎn)移曲線。注意在冷卻期間以積聚模式對器件施加柵偏壓導致高的斷-電流。此結(jié)果可以是由于低溫(聚合物的T_g以下)下的低離子遷移率。

詳細描述

定義

下列定義適用于關(guān)于本公開內(nèi)容的一些實施方式描述的一些方面。這些定義同樣可以在本文的基礎(chǔ)上展開。

如本文使用的，單數(shù)術(shù)語“一個”、“一種”和“該”包括復數(shù)指代物，除非上下文另外明確地規(guī)定。因而，例如，提及對象可以包括多個對象，除非上下文另外明確地規(guī)定。

如本文使用的，術(shù)語“組”指的是一個或多個對象的集合。因而，例如，一組對象可以包括單個對象或多個對象。一組中的對象還可以稱為該組的成員。一組中的對象可以是相同的或不同的。在一些情況下，一組中的對象可以共享一種或多種共同的特性。

如本文使用的，術(shù)語“基本上地”、“基本上的”和“大約”用于描述和解釋小變化。當連同項目或事件使用時，術(shù)語可以指的是其中項目或事件精確地發(fā)生的情況以及其中項目或事件接近近似地發(fā)生的情況。例如，術(shù)語可以指的是小于或等于±10％、比如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。

如本文使用的，相關(guān)術(shù)語，比如“外部”、“內(nèi)部”、“外部的”、“頂部”、“上部”、“向上地”、“下部”、“底部”、“向下地”、“橫向的”和“橫向地”指的是一組對象關(guān)于彼此的取向，比如根據(jù)附圖，但是在制造或使用期間不需要那些對象的具體取向。

如本文使用的，術(shù)語“任選的”和“任選地”意思是隨后描述的項目或事件可以發(fā)生或可以不發(fā)生，并且該描述包括其中項目或事件發(fā)生的情況和其中其不發(fā)生的情況。

如本文使用的，術(shù)語“連接(couple)”、“連接的(coupled)”和“連接(coupling)”指的是操作連接或接合。連接的對象可以彼此直接地連接或可以彼此間接地連接，比如通過另一組對象。

如本文使用的，術(shù)語“納米范圍”或“nm范圍”指的是大約1納米(nm)至大約1微米(μm)的尺寸范圍。nm范圍包括指的是大約1nm至大約10nm的尺寸范圍的“低nm范圍”、指的是大約10nm至大約100nm的尺寸范圍的“中nm范圍”、和指的是大約100nm至大約1μm的尺寸范圍的“高nm范圍”。

如本文使用的，術(shù)語“微米范圍”或“μm范圍”指的是大約1μm至大約1毫米(mm)的尺寸范圍。μm范圍包括指的是大約1μm至大約10μm的尺寸范圍的“低μm范圍”、指的是大約10μm至大約100μm的尺寸范圍的“中μm范圍”、和指的是大約100μm至大約1mm的尺寸范圍的“高μm范圍”。

如本文使用的，術(shù)語“長寬比”指的是對象的最大尺寸或程度和對象的其余尺寸或程度的平均值的比率，其中其余尺寸可以關(guān)于彼此并且關(guān)于最大尺寸基本上正交。在一些情況下，對象的其余尺寸可以基本上相同，并且其余尺寸的平均值可以基本上相當于其余尺寸中的任一個。例如，圓柱體的長寬比指的是圓柱體的長度和圓柱體的橫截面直徑的比率。作為另一個實例，球狀體的長寬比指的是沿著球狀體的長軸的尺寸和沿著球狀體的短軸的尺寸的比率。

如本文使用的，術(shù)語“納米結(jié)構(gòu)”指的是具有nm范圍中的至少一種尺寸的對象。納米結(jié)構(gòu)可以具有任何各種形狀，并且可以由各種材料形成。納米結(jié)構(gòu)的實例包括納米線、納米管和納米顆粒。

如本文使用的，術(shù)語“納米線”指的是基本上是固體的細長的納米結(jié)構(gòu)。通常，納米線具有nm范圍中的橫向尺寸(例如，寬度形式的橫截面尺寸、直徑、或表示跨越正交方向的平均值的寬度或直徑)、μm范圍中的縱向尺寸(例如，長度)、和大約3或更大的長寬比。

如本文使用的，術(shù)語“納米管”指的是細長的、中空的納米結(jié)構(gòu)。通常，納米管具有nm范圍中的橫向尺寸(例如，寬度形式的橫截面尺寸、外徑、或表示跨越正交方向的平均值的寬度或外徑)、μm范圍中的縱向尺寸(例如，長度)、和大約3或更大的長寬比。

如本文使用的，術(shù)語“納米顆粒”指的是球狀納米結(jié)構(gòu)。通常，納米顆粒的每個尺寸(例如，寬度形式的橫截面尺寸、直徑、或表示跨越正交方向的平均值的寬度或直徑)在nm范圍中，并且納米顆粒具有小于大約3比如大約1的長寬比。

如本文使用的，“基團”指的是形成分子的一部分的一組原子。在一些情況下，基團可以包括彼此結(jié)合的兩個或更多個原子以形成分子的一部分。基團可以是一價的或多價的以允許結(jié)合至分子的一個或多個另外的基團。例如，一價基團可以設(shè)想為如下分子：其中移除其氫原子中的一個以允許結(jié)合至分子的另一個基團?；鶊F可以是中性的、帶正電荷的、或帶負電荷的。例如，帶正電荷的基團可以設(shè)想為其中添加一個或多個質(zhì)子(即，H⁺)的中性基團，并且?guī)ж撾姾傻幕鶊F可以設(shè)想為其中移除一個或多個質(zhì)子的中性基團?；鶊F的實例包括在下列中陳述的那些。

如本文使用的，術(shù)語“烷烴”指的是飽和烴分子。對于某些實施，烷烴可以包括1至100個碳原子。術(shù)語“低級烷烴”指的是包括1至20個碳原子比如1至10個碳原子的烷烴，而術(shù)語“高級烷烴”指的是包括多于20個碳原子比如21至100個碳原子的烷烴。術(shù)語“支鏈烷烴”指的是包括一組支鏈的烷烴，而術(shù)語“無支鏈烷烴”指的是直鏈的烷烴。術(shù)語“環(huán)烷烴”指的是包括一組環(huán)結(jié)構(gòu)——比如單環(huán)結(jié)構(gòu)或二環(huán)結(jié)構(gòu)或高階環(huán)狀結(jié)構(gòu)——的烷烴。術(shù)語“雜烷烴”指的是如下烷烴：一組其碳原子被一組雜原子比如N、Si、S、O和P取代。術(shù)語“取代的烷烴”指的是如下烷烴：一組其氫原子被一組取代基取代，而術(shù)語“未取代的烷烴”指的是缺少這樣的取代的烷烴。上面的術(shù)語的組合可以用于指具有特性的組合的烷烴。例如，術(shù)語“支鏈低級烷烴”可以用于指包括1至20個碳原子和一組支鏈的烷烴。

如本文使用的，術(shù)語“烷基”指的是一價形式的烷烴。例如，烷基可以設(shè)想為如下烷烴，其中移除其氫原子中的一個以允許結(jié)合至分子的另一個基團。術(shù)語“低級烷基”指的是一價形式的低級烷烴，而術(shù)語“高級烷基”指的是一價形式的高級烷烴。術(shù)語“支鏈烷基”指的是一價形式的支鏈烷烴，而術(shù)語“無支鏈烷基”指的是一價形式的無支鏈烷烴。術(shù)語“環(huán)烷基”指的是一價形式的環(huán)烷烴，并且術(shù)語“雜烷基”指的是一價形式的雜烷烴。術(shù)語“取代的烷基”指的是一價形式的取代的烷烴，而術(shù)語“未取代的烷基”指的是一價形式的未取代的烷烴。烷基的實例包括甲基、乙基、正丙基、異丙基、環(huán)丙基、正丁基、仲丁基、異丁基、叔丁基、環(huán)丁基、正戊基、1-金剛烷基、2-蒎烯(pinenyl)、和其帶電荷的、雜形式或取代的形式。

如本文使用的，術(shù)語“亞烷基”指的是二價形式的烷烴。例如，亞烷基可以設(shè)想為如下烷烴：其中移除其氫原子中的兩個以允許結(jié)合至分子的一個或多個另外的基團。術(shù)語“低級亞烷基”指的是二價形式的低級烷烴，而術(shù)語“高級亞烷基”指的是二價形式的高級烷烴。術(shù)語“支鏈亞烷基”指的是二價形式的支鏈烷烴，而術(shù)語“無支鏈亞烷基”指的是二價形式的無支鏈烷烴。術(shù)語“環(huán)亞烷基”指的是二價形式的環(huán)烷烴，并且術(shù)語“雜亞烷基”指的是二價形式的雜烷烴。術(shù)語“取代的亞烷基”指的是二價形式的取代的烷烴，而術(shù)語“未取代的亞烷基”指的是二價形式的未取代的烷烴。亞烷基的實例包括亞甲基、亞乙基、亞丙基、2-甲基亞丙基、和其帶電荷的、雜形式或取代的形式。

如本文使用的，術(shù)語“烯烴”指的是包括一組碳-碳雙鍵的不飽和烴分子。對于某些實施，烯烴可以包括2至100個碳原子。術(shù)語“低級烯烴”指的是包括2至20個碳原子比如2至10個碳原子的烯烴，而術(shù)語“高級烯烴”指的是包括多于20個碳原子比如21至100個碳原子的烯烴。術(shù)語“環(huán)烯烴”指的是包括一組環(huán)結(jié)構(gòu)——比如單環(huán)結(jié)構(gòu)或二環(huán)結(jié)構(gòu)或高階環(huán)狀結(jié)構(gòu)——的烯烴。術(shù)語“雜烯烴”指的是如下烯烴：一組其碳原子被一組雜原子比如N、Si、S、O和P取代。術(shù)語“取代的烯烴”指的是如下烯烴：一組其氫原子被一組取代基取代，而術(shù)語“未取代的烯烴”指的是缺少這樣的取代的烯烴。上面的術(shù)語的組合可以用于指具有特性的組合的烯烴。例如，術(shù)語“取代的低級烯烴”可以用于指包括1至20個碳原子和一組取代基的烯烴。

如本文使用的，術(shù)語“烯基”指的是一價形式的烯烴。例如，烯基可以設(shè)想為如下烯烴：其中移除其氫原子中的一個以允許結(jié)合至分子的另一個基團。術(shù)語“低級烯基”指的是一價形式的低級烯烴，而術(shù)語“高級烯基”指的是一價形式的高級烯烴。術(shù)語“環(huán)烯基”指的是一價形式的環(huán)烯烴，并且術(shù)語“雜烯基”指的是一價形式的雜烯烴。術(shù)語“取代的烯基”指的是一價形式的取代的烯烴，而術(shù)語“未取代的烯基”指的是一價形式的未取代的烯烴。烯基的實例包括乙烯基、2-丙烯基(即，烯丙基)、異丙烯基、環(huán)丙烯基、丁烯基、異丁烯基、叔丁烯基、環(huán)丁烯基、和其帶電荷的、雜形式或取代的形式。

如本文使用的，術(shù)語“亞烯基”指的是二價形式的烯烴。例如，亞烯基可以設(shè)想為如下烯烴：其中移除其氫原子中的兩個以允許結(jié)合至分子的一個或多個另外的基團。術(shù)語“低級亞烯基”指的是二價形式的低級烯烴，而術(shù)語“高級亞烯基”指的是二價形式的高級烯烴。術(shù)語“環(huán)亞烯基”指的是二價形式的環(huán)烯烴，并且術(shù)語“雜亞烯基”指的是二價形式的雜烯烴。術(shù)語“取代的亞烯基”指的是二價形式的取代的烯烴，而術(shù)語“未取代的亞烯基”指的是二價形式的未取代的烯烴。亞烯基的實例包括亞乙烯基、亞丙烯基、2-甲基亞丙烯基、和其帶電荷的、雜形式或取代的形式。

如本文使用的，術(shù)語“炔烴”指的是包括一組碳-碳三鍵的不飽和烴分子。在一些情況下，炔烴還可以包括一組碳-碳雙鍵。對于某些實施，炔烴可以包括2至100個碳原子。術(shù)語“低級炔烴”指的是包括2至20個碳原子比如2至10個碳原子的炔烴，而術(shù)語“高級炔烴”指的是包括多于20個碳原子比如21至100個碳原子的炔烴。術(shù)語“環(huán)炔烴”指的是包括一組環(huán)結(jié)構(gòu)——比如單環(huán)結(jié)構(gòu)或二環(huán)結(jié)構(gòu)或高階環(huán)狀結(jié)構(gòu)——的炔烴。術(shù)語“雜炔烴”指的是如下炔烴：一組其碳原子被一組雜原子比如N、Si、S、O和P取代。術(shù)語“取代的炔烴”指的是如下炔烴：一組其氫原子被一組取代基取代，而術(shù)語“未取代的炔烴”指的是缺少這樣的取代的炔烴。上面的術(shù)語的組合可以用于指具有特性的組合的炔烴。例如，術(shù)語“取代的低級炔烴”可以用于指包括1至20個碳原子和一組取代基的炔烴。

如本文使用的，術(shù)語“炔基”指的是一價形式的炔烴。例如，炔基可以設(shè)想為如下炔烴：其中移除其氫原子中的一個以允許結(jié)合至分子的另一個基團。術(shù)語“低級炔基”指的是一價形式的低級炔烴，而術(shù)語“高級炔基”指的是一價形式的高級炔烴。術(shù)語“環(huán)炔基”指的是一價形式的環(huán)炔烴，并且術(shù)語“雜炔基”指的是一價形式的雜炔烴。術(shù)語“取代的炔基”指的是一價形式的取代的炔烴，而術(shù)語“未取代的炔基”指的是一價形式的未取代的炔烴。炔基的實例包括乙炔基、丙炔基、異丙炔基、丁炔基、異丁炔基、叔丁炔基、和其帶電荷的、雜形式或取代的形式。

如本文使用的，術(shù)語“亞炔基(alkynylene group)”指的是二價形式的炔烴。例如，亞炔基可以設(shè)想為如下炔烴：其中移除其氫原子中的兩個以允許結(jié)合至分子的一個或多個另外的基團。術(shù)語“低級亞炔基”指的是二價形式的低級炔烴，而術(shù)語“高級亞炔基”指的是二價形式的高級炔烴。術(shù)語“環(huán)亞炔基”指的是二價形式的環(huán)炔烴，并且術(shù)語“雜亞炔基”指的是二價形式的雜炔烴。術(shù)語“取代的亞炔基”指的是二價形式的取代的炔烴，而術(shù)語“未取代的亞炔基”指的是二價形式的未取代的炔烴。亞炔基的實例包括亞乙炔基、亞丙炔基、1-亞丁炔基、1-丁烯-3-亞炔基(1-buten-3-ynylene)、和其帶電荷的、雜形式或取代的形式。

如本文使用的，術(shù)語“芳烴”指的是芳香族烴分子。對于某些實施，芳烴可以包括5至100個碳原子。術(shù)語“低級芳烴”指的是包括5至20個碳原子比如5至14個碳原子的芳烴，而術(shù)語“高級芳烴”指的是包括多于20個碳原子比如21至100個碳原子的芳烴。術(shù)語“單環(huán)芳烴”指的是包括單個芳環(huán)結(jié)構(gòu)的芳烴，而術(shù)語“多環(huán)芳烴”指的是包括多于一個芳環(huán)結(jié)構(gòu)——比如兩個或更多個芳環(huán)結(jié)構(gòu)，其經(jīng)由碳-碳鍵結(jié)合或其稠合在一起——的芳烴。術(shù)語“雜芳烴”指的是如下芳烴：一組其碳原子被一組雜原子比如N、Si、S、O和P取代。術(shù)語“取代的芳烴”指的是如下芳烴：一組其氫原子被一組取代基取代，而術(shù)語“未取代的芳烴”指的是缺少這樣的取代的芳烴。上面的術(shù)語的組合可以用于指具有特性的組合的芳烴。例如，術(shù)語“單環(huán)低級芳烴”可以用于指包括5至20個碳原子和單個芳環(huán)結(jié)構(gòu)的芳烴。

如本文使用的，術(shù)語“芳基”指的是一價形式的芳烴。例如，芳基可以設(shè)想為如下芳烴：其中移除其氫原子中的一個以允許結(jié)合至分子的另一個基團。術(shù)語“低級芳基”指的是一價形式的低級芳烴，而術(shù)語“高級芳基”指的是一價形式的高級芳烴。術(shù)語“單環(huán)芳基”指的是一價形式的單環(huán)芳烴，而術(shù)語“多環(huán)芳基”指的是一價形式的多環(huán)芳烴。術(shù)語“雜芳基”指的是一價形式的雜芳烴。術(shù)語“取代的芳基”指的是一價形式的取代的芳烴，而術(shù)語“未取代的芳基”指的是一價形式的未取代的芳烴。芳基的實例包括苯基、聯(lián)苯基、萘基、吡啶基、噠嗪基、嘧啶基、吡嗪基、喹啉基、異喹啉基、和其帶電荷的、雜形式或取代的形式。

如本文使用的，術(shù)語“氫基(hydride group)”指的是-H。

如本文使用的，術(shù)語“鹵素基團”指的是-X，其中X是鹵素原子。鹵素基團的實例包括氟代、氯代、溴代和碘代。

如本文使用的，術(shù)語“羥基”指的是-OH。

如本文使用的，術(shù)語“硫基(thio group)”指的是-SH。

如本文使用的，術(shù)語“氰基”指的是-CN。

如本文使用的，術(shù)語“硝基”指的是-NO₂。

如本文使用的，術(shù)語“氨基”指的是-NH₂。

如本文使用的，術(shù)語“N-取代的氨基”指的是如下氨基：一組其氫原子被一組取代基取代。N-取代的氨基的實例包括-NRR’，其中R和R’選自氫基、烷基、烯基、炔基和芳基，并且R和R’中的至少一個不是氫基。

如本文使用的，術(shù)語“銨基團”指的是-NH₃⁺。

如本文使用的，術(shù)語“N-取代的銨基團”指的是如下銨基團：一組其氫原子被一組取代基取代。N-取代的銨基團的實例包括-NR”R’R⁺，其中R、R’和R”選自氫基、烷基、烯基、炔基和芳基，并且R、R’和R”中的至少一個不是氫基。

如本文使用的，術(shù)語“酰胺基團”指的是-(C＝O)NH₂。

如本文使用的，術(shù)語“N-取代的酰胺基團”指的是如下酰胺基團：一組其氫原子被一組取代基取代。N-取代的酰胺基團的實例包括-(C＝O)NRR’，其中R和R’選自氫基、烷基、烯基、炔基和芳基，并且R和R’中的至少一個不是氫基。

如本文使用的，術(shù)語“羧基”指的是-(C＝O)OH。

如本文使用的，術(shù)語“烷基羰氧基”指的是-O(C＝O)R，其中R是烷基。

如本文使用的，術(shù)語“烯基羰氧基”指的是-O(C＝O)R，其中R是烯基。

如本文使用的，術(shù)語“炔基羰氧基”指的是-O(C＝O)R，其中R是炔基。

如本文使用的，術(shù)語“芳基羰氧基”指的是-O(C＝O)R，其中R是芳基。

如本文使用的，術(shù)語“烷基羰基氨基”指的是-NH(C＝O)R，其中R是烷基。

如本文使用的，術(shù)語“N-取代的烷基羰基氨基”指的是如下烷基羰基氨基：結(jié)合至其氮原子的其氫原子被取代基取代。N-取代的烷基羰基氨基的實例包括-NR(C＝O)R’，其中R選自烷基、烯基、炔基和芳基，并且R’是烷基。

如本文使用的，術(shù)語“烯基羰基氨基”指的是-NH(C＝O)R，其中R是烯基。

如本文使用的，術(shù)語“N-取代的烯基羰基氨基”指的是如下烯基羰基氨基：結(jié)合至其氮原子的其氫原子被取代基取代。N-取代的烯基羰基氨基的實例包括-NR(C＝O)R’，其中R選自烷基、烯基、炔基和芳基，并且R’是烯基。

如本文使用的，術(shù)語“炔基羰基氨基”指的是-NH(C＝O)R，其中R是炔基。

如本文使用的，術(shù)語“N-取代的炔基羰基氨基”指的是如下炔基羰基氨基：結(jié)合至其氮原子的其氫原子被取代基取代。N-取代的炔基羰基氨基的實例包括-NR(C＝O)R’，其中R選自烷基、烯基、炔基和芳基，并且R’是炔基。

如本文使用的，術(shù)語“芳基羰基氨基”指的是-NH(C＝O)R，其中R是芳基。

如本文使用的，術(shù)語“N-取代的芳基羰基氨基”指的是如下芳基羰基氨基：結(jié)合至其氮原子的其氫原子被取代基取代。N-取代的芳基羰基氨基的實例包括-NR(C＝O)R’，其中R選自烷基、烯基、炔基和芳基，并且R’是芳基。

如本文使用的，術(shù)語“脲基團”指的是-NH(C＝O)NH₂。

如本文使用的，術(shù)語“環(huán)氧基”指的是：

如本文使用的，術(shù)語“唑烷酮基團”指的是：

以及其中N和O原子的位置在環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)改變的變體。

如本文使用的，術(shù)語“富勒烯”指的是一組碳籠(carbon cage)分子。對于某些實施，富勒烯分子可以包括三維骨架，所述三維骨架包括多個碳原子，并且形成閉合殼層，其可以是球形或半球形的形狀。富勒烯分子的碳原子通常結(jié)合至以四面體幾何結(jié)構(gòu)排布的三個最近的近鄰(nearest-neighbor)。富勒烯分子可以被指定為C_n，其中n是對應于包括在富勒烯分子的骨架中的碳原子的數(shù)目的整數(shù)。例如，C₆₀指的是包括32個面的平截二十面體分子，其中12個面是基本上五邊形的并且20個面是基本上六邊形的。富勒烯分子的其它實例包括C_n，其中n在50至250的范圍中，比如C₇₀、C₇₂、C₇₄、C₇₆、C₇₈、C₈₀、C₈₂和C₈₄。術(shù)語“富勒烯衍生物”指的是已經(jīng)以任何方式修飾的富勒烯，包括其帶電荷的、雜形式或取代的形式。

額外地，濃度、量、比率和其它數(shù)值在本文有時以范圍格式呈現(xiàn)?？梢岳斫猓鲇诜奖愫秃啙嵤褂眠@樣的范圍格式，并且應當靈活地理解包括明確地規(guī)定為范圍的極限的數(shù)值，而且包括在該范圍內(nèi)涵蓋的所有個體數(shù)值或子范圍，如同每個數(shù)值和子范圍被明確地規(guī)定一樣。例如，大約1至大約200的范圍中的比率應當理解包括明確敘述的大約1和大約200的極限，而且包括個體比率比如大約2、大約3和大約4，和子范圍比如大約10至大約50、大約20至大約100等。

極性彈性體

本公開內(nèi)容的一些實施方式涉及可以包含在各種電子和光電子器件中以為那些器件提供改進的性能特性的極性彈性體。在一些實施方式中，改進的性能特性通過施加的電場下的極性彈性體中的雙電層充電效應取得。雙電層充電效應可以升高包含極性彈性體的器件的電容和輸出(例如，電流輸出或其它輸出)。有利地，甚至在低離子濃度的情況下，極性彈性體可以展示雙電層充電效應，并且可以提供與標準制造工藝相容性以及環(huán)境和高濕度條件下的高穩(wěn)定性。另外，金屬功函可以通過與極性彈性體接觸改變。

一般而言，根據(jù)本公開內(nèi)容的一些實施方式的極性彈性體可以包括多種不同類型的主鏈結(jié)構(gòu)并且可以包括一種或多種類型的單體單元。具體而言，極性彈性體可以具有線性或非線性的主鏈結(jié)構(gòu)。非線性主鏈結(jié)構(gòu)的實例包括支化主鏈結(jié)構(gòu)，比如為星型支化、梳狀支化、或帚狀支化、和網(wǎng)絡(luò)主鏈結(jié)構(gòu)的那些。極性彈性體可以是包括一種類型的單體單元的均聚物或包括兩種或更多種不同類型的單體單元的共聚物。共聚物的不同類型的單體單元可以根據(jù)統(tǒng)計分布、以無規(guī)方式、以交替方式、以周期方式、以長序列或嵌段、以徑向方式、或以其它方式排布。共聚物的實例包括統(tǒng)計共聚物、無規(guī)共聚物、交替共聚物、周期共聚物、嵌段共聚物、星形共聚物、和接枝共聚物。在一些實施方式中，極性彈性體可以能夠交聯(lián)、纏結(jié)或氫鍵合，以便增加其韌性或其對環(huán)境或制造條件下的降解的抗性。在一些實施方式中，極性彈性體可以具有數(shù)均分子量(或重均分子量)，其是至少大約5,000、至少大約6,000、至少大約7,000、至少大約8,000、至少大約9,000、至少大約10,000、至少大約20,000、至少大約30,000、至少大約40,000、或至少大約50,000、多至大約100,000、多至大約500,000、或更多。

一些實施方式的極性彈性體包括至少一種類型的包含極性基團的單體單元。有利地，這樣的極性基團提供可以促進鹽的溶解和溶劑化以形成離子的電偶極，其可以在施加的電場下在雙電層充電過程中遷移。在一些實施方式中，合適的極性基團包括具有如下電偶極矩的那些：至少大約0.5德拜、至少大約0.8德拜、至少大約1德拜、至少大約1.5德拜、至少大約2德拜、至少大約2.5德拜、至少大約3德拜、至少大約3.5德拜、至少大約4德拜、至少大約4.5德拜、至少大約5德拜、至少大約5.5德拜、至少大約6德拜、至少大約6.5德拜、至少大約7德拜、至少大約7.5德拜、至少大約8德拜、至少大約8.5德拜、至少大約9德拜、或至少大約9.5德拜，并且多至大約10德拜、多至大約12德拜、或更多。在一些實施方式中，合適的極性基團包括2個或更多個原子，比如3個或更多個原子、4個或更多個原子、5個或更多個原子等，但是極性基團還可以包括單個原子。在一些實施方式中，合適的極性基團包括2個或更多個原子，比如3個或更多個原子、4個或更多個原子、5個或更多個原子等，并且其中至少一個原子是碳原子。合適的極性基團的實例包括取代的烷基(例如，取代有1個、2個、3個或更多個鹵素基團或下面列舉的其它極性基團，比如包括1至10、1至5或1或1至3個碳原子和取代有1個、2個、3個或更多個氟代基團(fluoro group)或其它極性基團的烷基)、取代的烯基(例如，取代有1個、2個、3個或更多個鹵素基團或下面列舉的其它極性基團，比如包括2至10、2至5或2至3個碳原子和取代有1個、2個、3個或更多個氟代基團或其它極性基團的烯基)、取代的炔基(例如，取代有1個、2個、3個或更多個鹵素基團或下面列舉的其它極性基團，比如包括2至10、2至5或2至3個碳原子和取代有1個、2個、3個或更多個氟代基團或其它極性基團的炔基)、取代的芳基(例如，取代有1個、2個、3個或更多個鹵素基團或下面列舉的其它極性基團，比如包括5至14個碳原子和取代有1個、2個、3個或更多個氟代基團或其它極性基團的芳基)、羥基、硫代基團、氰基、硝基、氨基、N-取代的氨基、銨基團、N-取代的銨基團、酰胺基團、N-取代的酰胺基團、羧基、烷基羰氧基、烯基羰氧基、炔基羰氧基、芳基羰氧基、烷基羰基氨基、N-取代的烷基羰基氨基、烯基羰基氨基、N-取代的烯基羰基氨基、炔基羰基氨基、N-取代的炔基羰基氨基、芳基羰基氨基、N-取代的芳基羰基氨基、脲基團、環(huán)氧基、唑烷酮基團、和其帶電荷的、取代的或雜的形式。合適的極性基團的具體實例包括-CF₃、氟-苯基、二氟-苯基、三氟苯基、四氟-苯基、五氟-苯基、和氟-噻吩基(thioenyl)。

在一些實施方式中，極性彈性體的極性基團可以作為側(cè)鏈結(jié)合至主鏈結(jié)構(gòu)，從而提供極性基團的旋轉(zhuǎn)或其它運動的更大自由度并且促進用于鹽的有效溶解和溶劑化的局部配位幾何結(jié)構(gòu)的重新取向。在這樣的實施方式中，極性彈性體可以被稱為包括含極性基團的側(cè)鏈，并且極性基團可以直接地結(jié)合至主鏈結(jié)構(gòu)，或可以經(jīng)由連接體原子或基團——比如亞烷基、亞烯基、亞炔基、或雜原子——結(jié)合至主鏈結(jié)構(gòu)。

此外，極性彈性體的極性基團的旋轉(zhuǎn)或其它運動以及極性彈性體的其它擺動的自由度通過聚合物的彈性、橡膠狀或無定形性質(zhì)得到或增強，其中聚合物鏈和締合的極性基團在施加的電場或其它應力或刺激的存在下具有重排的能力，從而促進雙電層充電過程中溶劑化離子的遷移。在一些實施方式中，極性彈性體是無定形聚合物，或包括無定形區(qū)域，并且具有低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(T_g)以允許在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度處或以上重排聚合物鏈和締合的極性基團。在一些實施方式中，當以塊狀形式(bulk form)測量時，極性彈性體的T_g可以不大于大約25℃、不大于大約20℃、不大于大約10℃、不大于大約0℃、不大于大約-5℃、不大于大約-10℃、不大于大約-15℃、或不大于大約-20℃、和下至大約-30℃、下至大約-50℃、下至大約-100℃、或更小。例如，當以塊狀形式測量時，極性彈性體的T_g可以在大約-100℃至大約25℃、大約-100℃至大約-50℃、大約-50℃至大約25℃、大約-50℃至大約0℃、或大約0℃至大約25℃的范圍中。當以薄膜的形式測量時，極性彈性體的T_g可以相對于其塊狀形式值更高，但是上述范圍通常也適用于作為薄膜實施的極性彈性體。更一般地，極性彈性體的T_g可以選擇不大于、或低于其中包含極性彈性體的器件的操作溫度范圍的下閾值。取決于具體的應用，還預期的是，高于大約25℃的極性彈性體的T_g可以是合適的。極性彈性體的T_g可以通過添加一種或多種增塑劑被調(diào)節(jié)，比如降低至大約25℃或更小。

在極性彈性體的T_g處或以上并且在施加的電場基本上不存在下，極性彈性體處于橡膠狀狀態(tài)，并且極性彈性體的極性基團的旋轉(zhuǎn)或其它運動的自由度可以導致基本上無規(guī)取向的電偶極。此無規(guī)取向又可以產(chǎn)生極性彈性體的電極化，其表達為每單位體積的平均電偶極矩，其基本上是零。在一些實施方式的極性彈性體的情況下，此自發(fā)的非零電極化的缺少區(qū)分了極性彈性體與某些鐵電物質(zhì)，比如鐵電性聚合物。在一些實施方式中，通過使用極化-電壓曲線可以將極性彈性體與鐵電物質(zhì)區(qū)分。例如，圖1(a)顯示了通過如下測量的鐵電性聚合物的典型的極化-電壓曲線：通過將鐵電性聚合物層夾在中間的電極對施加跨越鐵電性聚合物層的時變電壓。當施加的電壓為零時，鐵電性聚合物具有顯著的極化-電壓遲滯連同自主的非零電極化。另一方面，圖1(b)顯示了通過相似測試設(shè)置測量的本公開內(nèi)容的一些實施方式的極性彈性體的實例極化-電壓曲線。當施加的電壓基本上為零時，電極化基本上線性于施加的電壓，其具有很少或不具有遲滯且具有很少或不具有電極化。在一些實施方式中，當施加的電壓是基本上0V時，極性彈性體的電極化不大于大約1mC/m²，比如不大于大約0.9mC/m²、不大于大約0.8mC/m²、不大于大約0.7mC/m²、不大于大約0.6mC/m²、不大于大約0.5mC/m²、不大于大約0.4mC/m²、不大于大約0.3mC/m²、不大于大約0.2mC/m²、不大于大約0.1mC/m²、不大于大約0.05mC/m²、或不大于大約0.01mC/m²、和下至大約0.001mC/m²或更小、下至大約0.0001mC/m²或更小、或下至零。

極性彈性體在一些實施方式中可以是部分或完全彈性的，并且在一些實施方式中可以是部分或完全粘彈性的。極性彈性體在一些實施方式中還可以是相對無彈性的或可以展示很少或不展示粘彈性。例如，極性彈性體可以具有在變形后恢復至其原始大小和形狀的一些傾向，比如恢復至其原始大小的±99％內(nèi)、其原始大小的±90％內(nèi)、其原始大小的±80％內(nèi)、其原始大小的±70％內(nèi)、其原始大小的±60％內(nèi)、其原始大小的±50％內(nèi)、其原始大小的±40％內(nèi)、其原始大小的±30％內(nèi)、其原始大小的±20％內(nèi)、其原始大小的±10％內(nèi)、其原始大小的±5％內(nèi)、或其原始大小的±1％內(nèi)。極性彈性體可以由其它特性證明。例如，極性彈性體可以是相對柔性的，其具有多至大約1GPa、多至大約0.9GPa、多至大約0.8GPa、多至大約0.7GPa、多至大約0.6GPa、多至大約0.5GPa、多至大約0.4GPa、多至大約0.3GPa、多至大約0.2GPa、多至大約0.1GPa、或多至大約0.05GPa、和下至大約0.01GPa、下至大約0.005GPa、或更小的楊氏模量。作為另一個實例，極性彈性體可以具有至少大約20％、至少大約30％、至少大約40％、至少大約50％、至少大約60％、至少大約70％、至少大約80％、至少大約90％、至少大約100％、至少大約150％、或至少大約200％、并且多至大約300％、多至大約400％、多至大約500％、或更多的相對高的斷裂伸長百分率。

通過展示雙電層充電效應，一些實施方式的極性彈性體甚至在低離子濃度的情況下可以具有高電容。在一些實施方式中，當在大約10Hz或更小——比如大約1Hz、大約0.1Hz、或更小——或在準靜態(tài)條件下測量時，極性彈性體的電容可以是至少大約0.005μF/cm²、至少大約0.007μF/cm²、至少大約0.01μF/cm²、至少大約0.03μF/cm²、至少大約0.05μF/cm²、至少大約0.07μF/cm²、至少大約0.1μF/cm²、至少大約0.3μF/cm²、或至少大約0.5μF/cm²、并且多至大約0.7μF/cm²、多至大約1μF/cm²、多至大約1.3μF/cm²、或更多。

在一些實施方式中，極性彈性體可以包括離子，或可以與離子結(jié)合或混合，所述離子可以是陰離子和陽離子的形式，并且其可以在施加的電場下在雙電層充電過程中遷移。離子可以源自在固化或其它制造過程中包括以形成極性彈性體的鹽。離子濃度——表達為相對于極性彈性體連同離子的總重量的包括在極性彈性體中的離子的重量百分比(或表達為離子所源自的鹽的重量百分比)——可以不大于按重量計大約5％、不大于按重量計大約4％、不大于按重量計大約3％、不大于按重量計大約2％、不大于按重量計大約1％、不大于按重量計大約0.9％、不大于按重量計大約0.8％、不大于按重量計大約0.7％、不大于按重量計大約0.6％、或不大于按重量計大約0.5％、并且下至按重量計大約0.3％、下至按重量計大約0.2％、下至按重量計大約0.1％、或更小。這樣低的離子濃度使得極性彈性體是高度穩(wěn)定的和抗高濕度條件的，并且減輕離子非期望地擴散入相鄰的器件層，所述擴散可以導致氧化還原反應和材料降解。合適的鹽(離子可以源自其)的實例包括有機鹽，比如季鹽如(CH₃)₂(C₂H₅)₂P⁺Cl^-、(C₂H₅)₃C₁₈H₃₇P⁺SO₄H^-、(環(huán)C₆H₁₁)₂(C₆H₁₃)₂P⁺NO₃^-、(C₄H₉)₃CH₂＝CH-CH₂P⁺Cl^-、(C₆H₅)₃C₆H₅CH₂P⁺CH₃CO₂^-、(C₆H₅)₃CH₃OC₂H₅P⁺Cl^-、(C₈H₁₇)₃(CH₃)₂NCH₂CH₂CH₂P⁺Cl^-、(C₈H₁₇)₃HOC₂H₅P⁺Cl^-、Cl^-+p(C₂H₅)₃CH₂CH₂CH₂CH₂(C₂H₅)₃P⁺Cl^-和四丁基己酸(tetrabutyl phosphonium captate)，和季銨鹽如(CH₃)₃N⁺OH^-、(C₄H₉)₃N⁺Cl^-、HO^-(C₄H₉)₃N⁺CH₂CH₂N⁺(C₄H₉)₃OH^-、(C₄H₉)₃CH₂＝CHCH₂N^+-OPO(OC₂H₅)₂和CF₃CF₂OCF₂CF₂OCF₂CH₂N⁺(C₄H₉)₃BF₆^-。離子的實例包括有機陽離子和平衡陰離子，比如上面的實例季鹽中的陽離子和平衡陰離子，以及上面的季銨鹽中的銨陽離子和平衡陰離子。

極性彈性體的離子濃度可以由其它特性證明。例如，一些實施方式的極性彈性體可以包括低離子濃度，使得極性彈性體的離子電導率小于大約1×10^-5S/cm、比如不大于大約1×10^-6S/cm、不大于大約5×10^-7S/cm、不大于大約1×10^-7S/cm、不大于大約5×10^-8S/cm、不大于大約1×10^-8S/cm、不大于大約5×10^-9S/cm、不大于大約1×10^-9S/cm、不大于大約5×10^-10S/cm、或不大于大約1×10^-10S/cm、并且下至大約8×10^-11S/cm、下至大約5×10^-11S/cm、下至大約1×10^-11S/cm、下至大約1×10^-12S/cm、或更小。

極性彈性體在濕度條件下的高穩(wěn)定性還可以通過其疏水性質(zhì)得到。極性彈性體的疏水性質(zhì)在其可濕性方面表征，其可以基于極性彈性體的表面和布置在表面上的液態(tài)水滴之間的接觸角規(guī)定。接觸角可以是液-汽界面與固-液界面相交的角度。一些實施方式的極性彈性體的疏水性質(zhì)可以生成大于或等于大約90°的接觸角，比如至少大約95°、至少大約100°、至少大約105°、至少大約110°、至少大約115°、或至少大約120°、并且多至大約140°、多至大約150°、或更多。

如上面記載的，一些實施方式的極性彈性體包括至少一種類型的包含極性基團的單體單元。例如，極性彈性體可以是包括一種類型的單體單元的均聚物，所述單體單元包括一種或多種相同或不同的極性基團。作為另一個實例，極性彈性體可以是包括兩種或更多種不同類型的單體單元的共聚物，并且至少一種類型的單體單元包括一種或多種相同或不同的極性基團。在一些實施方式的共聚物的情況下，每種類型的單體單元可以包括一種或多種相同或不同的極性基團，并且不同類型的單體單元可以包括相同或不同的極性基團。在其它實施方式的共聚物的情況下，至少一種類型的單體單元可以包括一種或多種相同或不同的極性基團，并且至少另一種類型的單體單元可以缺少任何極性基團或可以包括一種或多種具有低極性的基團，比如具有小于大約0.5德拜的電偶極矩的那些。在共聚物的這樣的實施方式中，相對于所有單體單元，包括極性基團的單體單元的摩爾含量或分數(shù)(例如，組合的摩爾含量)是至少或大于大約0.2(或大約20％)、至少或大于大約0.25(或大約25％)、至少或大于大約0.3(或大約30％)、至少或大于大約0.35(或大約35％)、至少或大于大約0.4(或大約40％)、至少或大于大約0.45(或大約45％)、至少或大于大約0.5(或大約50％)、至少或大于大約0.55(或大約55％)、至少或大于大約0.6(或大約60％)、至少或大于大約0.65(或大約65％)、至少或大于大約0.7(或大約70％)、或至少或大于大約0.75(或大約75％)、并且多至大約0.8(或大約80％)、多至大約0.9(或大約90％)、或更多。

根據(jù)一些實施方式，極性彈性體是由如下式給出的均聚物：

-[M]_n-

其中M是包括一種或多種極性基團的極性單體單元，并且n大于一并且表示包括在極性彈性體中的單體單元的數(shù)目，并且因此表示極性彈性體的聚合程度。M可以選自，例如，包括2至10個碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2個碳原子——的亞烷基、亞烯基和亞炔基，其可以取代有至少一個極性基團，比如1、2、3或4個相同或不同的極性基團，并且其可以任選地進一步取代有至少一個鹵素基團，比如1、2、3或4個相同或不同的鹵素基團。M的具體實例是六氟丙烯(HFP)，以及取代有至少一種極性基團——比如鹵代烷基、氰基、硝基、和其它極性基團——的其它亞烷基。在一些實施方式中，n是至少大約10、至少大約20、至少大約50、至少大約100、至少大約500、或至少1,000、并且多至大約5,000、多至大約10,000、多至大約50,000、多至大約100,000、或更多。在一些實施方式中，由上面的式給出的極性彈性體可以被交聯(lián)，或可以與一種或多種額外的材料——比如選自鹽、離子、聚合物、無機材料、有機材料和納米結(jié)構(gòu)——結(jié)合或混合。

根據(jù)一些實施方式，極性彈性體是由如下式中的任一個給出的共聚物：

-([M]_x[M’]_y)_n-

-([M]_x[M’]_y)-

其中M是包括一種或多種極性基團的第一極性單體單元，M’是包括一種或多種極性基團的不同的第二極性單體單元，0＜x＜1，0＜y＜1，x+y＝1，并且n大于一并且表示包括在極性彈性體中的單體單元的數(shù)目，并且因此表示極性彈性體的聚合程度。M和M’可以選自例如包括2至10個碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2個碳原子——的亞烷基、亞烯基和亞炔基，其可以取代有至少一個極性基團，比如1、2、3或4個相同或不同的極性基團，并且其可以任選地進一步取代有至少一個鹵素基團，比如1、2、3或4個相同或不同的鹵素基團。M或M’的具體實例是HFP，以及取代有至少一種極性基團——比如鹵代烷基、氰基、硝基、和其它極性基團——的其它亞烷基。在一些實施方式中，n是至少大約10、至少大約20、至少大約50、至少大約100、至少大約500、或至少1,000、并且多至大約5,000、多至大約10,000、多至大約50,000、多至大約100,000、或更多。由上面的式給出的共聚物可以是統(tǒng)計共聚物、無規(guī)共聚物、交替共聚物、周期共聚物、嵌段共聚物、星形共聚物、或接枝共聚物。在一些實施方式中，由上面的式給出的極性彈性體可以被交聯(lián)，或可以與一種或多種額外的材料——比如選自鹽、離子、聚合物、無機材料、有機材料和納米結(jié)構(gòu)——結(jié)合或混合。

根據(jù)一些實施方式，極性彈性體是由如下式中的任一個給出的共聚物：

-([M]_x[M’]_y)_n-

-([M]_x[M’]_y)-

其中M是包括一種或多種極性基團的第一極性單體單元，M’是缺少任何這樣的極性基團的不同的第二單體單元，0＜x＜1，0＜y＜1，x+y＝1，并且n大于一并且表示包括在極性彈性體中的單體單元的數(shù)目，并且因此表示極性彈性體的聚合程度。M可以選自例如包括2至10個碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2個碳原子——的亞烷基、亞烯基和亞炔基，其可以取代有至少一個極性基團，比如1、2、3或4個相同或不同的極性基團，并且其可以任選地進一步取代有至少一個鹵素基團，比如1、2、3或4個相同或不同的鹵素基團。M’可以選自例如包括2至10個碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2個碳原子——的亞烷基、亞烯基和亞炔基，其任選地取代有至少一種鹵素基團，比如1、2、3或4個相同或不同的鹵素基團。M的具體實例是HFP，以及取代有至少一種極性基團——比如鹵代烷基、氰基、硝基、和其它極性基團——的其它亞烷基，并且M’的具體實例包括1，1-二氟乙烯(偏氟乙烯，VDF)、1-氟乙烯(氟化乙烯，VF)、1-氯-2-氟乙烯(CFE)、四氟乙烯(TFE)、氯三氟乙烯(CTFE)和三氟乙烯(TrFE)。在一些實施方式中，0.2≤x＜1，0.25≤x＜1，0.3≤x＜1，0.35≤x＜1，0.4≤x＜1，0.45≤x＜1，0.5≤x＜1，0.55≤x＜1，0.6≤x＜1，0.65≤x＜1，0.7≤x＜1，或0.75≤x＜1。在一些實施方式中，n是至少大約10、至少大約20、至少大約50、至少大約100、至少大約500、或至少1,000、并且多至大約5,000、多至大約10,000、多至大約50,000、多至大約100,000、或更多。由上面的式給出的共聚物可以是統(tǒng)計共聚物、無規(guī)共聚物、交替共聚物、周期共聚物、嵌段共聚物、星形共聚物、或接枝共聚物。在一些實施方式中，由上面的式給出的極性彈性體可以被交聯(lián)，或可以與一種或多種額外的材料——比如選自鹽、離子、聚合物、無機材料、有機材料和納米結(jié)構(gòu)——結(jié)合或混合。

根據(jù)一些實施方式，極性彈性體是由如下式中的任一個給出的共聚物：

-([M]_x[M’]_y[M”]_z)_n-

-([M]_x[M’]_y[M”]_z)-

其中M是包括一種或多種極性基團的第一極性單體單元，M’是包括一種或多種極性基團的不同的第二極性單體單元，M”是包括一種或多種極性基團的不同的第三極性單體單元，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1，x+y+z＝1，并且n大于一并且表示包括在極性彈性體中的單體單元的數(shù)目，并且因此表示極性彈性體的聚合程度。M、M’和M”可以選自例如包括2至10個碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2個碳原子——的亞烷基、亞烯基和亞炔基，其可以取代有至少一個極性基團，比如1、2、3或4個相同或不同的極性基團，并且其可以任選地進一步取代有至少一個鹵素基團，比如1、2、3或4個相同或不同的鹵素基團。M、M’或M”的具體實例是HFP，以及取代有至少一種極性基團——比如鹵代烷基、氰基、硝基、和其它極性基團——的其它亞烷基。在一些實施方式中，n是至少大約10、至少大約20、至少大約50、至少大約100、至少大約500、或至少1,000、并且多至大約5,000、多至大約10,000、多至大約50,000、多至大約100,000、或更多。由上面的式給出的共聚物可以是統(tǒng)計共聚物、無規(guī)共聚物、交替共聚物、周期共聚物、嵌段共聚物、星形共聚物、或接枝共聚物。在一些實施方式中，由上面的式給出的極性彈性體可以被交聯(lián)，或可以與一種或多種額外的材料——比如選自鹽、離子、聚合物、無機材料、有機材料和納米結(jié)構(gòu)——結(jié)合或混合。

根據(jù)一些實施方式，極性彈性體是由如下式中的任一個給出的共聚物：

-([M]_x[M’]_y[M”]_z)_n-

-([M]_x[M’]_y[M”]_z)-

其中M是包括一種或多種極性基團的第一極性單體單元，M’是缺少任何這樣的極性基團的不同的第二單體單元，M”是缺少任何這樣的極性基團的不同的第三單體單元，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1，x+y+z＝1，并且n大于一并且表示包括在極性彈性體中的單體單元的數(shù)目，并且因此表示極性彈性體的聚合程度。M可以選自例如包括2至10個碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2個碳原子——的亞烷基、亞烯基和亞炔基，其可以取代有至少一個極性基團，比如1、2、3或4個相同或不同的極性基團，并且其可以任選地進一步取代有至少一個鹵素基團，比如1、2、3或4個相同或不同的鹵素基團。M’和M”可以選自例如包括2至10個碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2個碳原子——的亞烷基、亞烯基和亞炔基，其任選地取代有至少一種鹵素基團，比如1、2、3或4個相同或不同的鹵素基團。M的具體實例是HFP，以及取代有至少一種極性基團——比如鹵代烷基、氰基、硝基、和其它極性基團——的其它亞烷基，并且M’和M”的具體實例包括VDF、VF、CFE、TFE、CTFE和TrFE。在一些實施方式中，0.2≤x＜1，0.25≤x＜1，0.3≤x＜1，0.35≤x＜1，0.4≤x＜1，0.45≤x＜1，0.5≤x＜1，0.55≤x＜1，0.6≤x＜1，0.65≤x＜1，0.7≤x＜1，或0.75≤x＜1。在一些實施方式中，n是至少大約10、至少大約20、至少大約50、至少大約100、至少大約500、或至少1,000、并且多至大約5,000、多至大約10,000、多至大約50,000、多至大約100,000、或更多。由上面的式給出的共聚物可以是統(tǒng)計共聚物、無規(guī)共聚物、交替共聚物、周期共聚物、嵌段共聚物、星形共聚物、或接枝共聚物。在一些實施方式中，由上面的式給出的極性彈性體可以被交聯(lián)，或可以與一種或多種額外的材料——比如選自鹽、離子、聚合物、無機材料、有機材料和納米結(jié)構(gòu)——結(jié)合或混合。

根據(jù)一些實施方式，極性彈性體是由如下式中的任一個給出的共聚物：

-([M]_x[M’]_y[M”]_z)_n-

-([M]_x[M’]_y[M”]_z)-

其中M是包括一種或多種極性基團的第一極性單體單元，M’是包括一種或多種極性基團的不同的第二極性單體單元，M”是缺少任何這樣的極性基團的不同的第三單體單元，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1，x+y+z＝1，并且n大于一并且表示包括在極性彈性體中的單體單元的數(shù)目，并且因此表示極性彈性體的聚合程度。M和M’可以選自例如包括2至10個碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2個碳原子——的亞烷基、亞烯基和亞炔基，其可以取代有至少一個極性基團，比如1、2、3或4個相同或不同的極性基團，并且其可以任選地進一步取代有至少一個鹵素基團，比如1、2、3或4個相同或不同的鹵素基團。M”可以選自例如包括2至10個碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2個碳原子——的亞烷基、亞烯基和亞炔基，其任選地取代有至少一種鹵素基團，比如1、2、3或4個相同或不同的鹵素基團。M或M’的具體實例是HFP，以及取代有至少一種極性基團——比如鹵代烷基、氰基、硝基、和其它極性基團——的其它亞烷基，并且M”的具體實例包括VDF、VF、CFE、TFE、CTFE和TrFE。在一些實施方式中，0.2≤x+y＜1，0.25≤x+y＜1，0.3≤x+y＜1，0.35≤x+y＜1，0.4≤x+y＜1，0.45≤x+y＜1，0.5≤x+y＜1，0.55≤x+y＜1，0.6≤x+y＜1，0.65≤x+y＜1，0.7≤x+y＜1，或0.75≤x+y＜1。在一些實施方式中，n是至少大約10、至少大約20、至少大約50、至少大約100、至少大約500、或至少1,000、并且多至大約5,000、多至大約10,000、多至大約50,000、多至大約100,000、或更多。由上面的式給出的共聚物可以是統(tǒng)計共聚物、無規(guī)共聚物、交替共聚物、周期共聚物、嵌段共聚物、星形共聚物、或接枝共聚物。在一些實施方式中，由上面的式給出的極性彈性體可以被交聯(lián)，或可以與一種或多種額外的材料——比如選自鹽、離子、聚合物、無機材料、有機材料和納米結(jié)構(gòu)——結(jié)合或混合。

極性彈性體的其它實施方式被本公開內(nèi)容涵蓋，比如包括基于氨基甲酸酯(carbamate)(或氨基甲酸乙酯(urethane))鍵(link)的主鏈結(jié)構(gòu)比如聚氨酯主鏈結(jié)構(gòu)、基于硅氧烷鍵的主鏈結(jié)構(gòu)、聚醚主鏈結(jié)構(gòu)、聚酯主鏈結(jié)構(gòu)、聚酰胺主鏈結(jié)構(gòu)、和其它類型的主鏈結(jié)構(gòu)——其基于碳-碳鍵、碳-氧鍵、硅-氧鍵、碳-氮鍵、和雜原子-雜原子鍵，并且具有作為側(cè)鏈結(jié)合至主鏈結(jié)構(gòu)或包括在主鏈結(jié)構(gòu)內(nèi)的極性基團。

極性彈性體的應用

本文描述的極性彈性體可以包含在各種電子和光電子器件中以提供改進的性能?？梢缘靡嬗跇O性彈性體的器件的實例包括晶體管、發(fā)光二極管、太陽能電池、顯示器件、生物醫(yī)學器件、傳感器、可穿戴電子設(shè)備和可伸縮器件等。

圖2(a)-(d)顯示了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些實施方式的場效應晶體管(FET)200、220、240和260的多種配置的示意圖。具體地，圖2(a)顯示了頂部-接觸、底部-柵FET 200，圖2(b)顯示了底部-接觸、底部-柵FET 220，圖2(c)顯示了底部-接觸，頂部-柵FET 240，并且圖2(d)顯示了頂部-接觸、頂部-柵FET 260。

參考圖2(a)，頂部-接觸、底部-柵FET 200包括柵電極210，施加、形成或以其它方式布置在柵電極210之上的柵介電層208，施加、形成或以其它方式布置在柵介電層208之上的半導體層206，和施加、形成或以其它方式布置在半導體層206之上的漏極202和源極204。

在圖解的實施方式中，柵介電層208包括極性彈性體或由其形成，并且柵介電層208與半導體層206直接物理接觸或基本上與其緊貼以通過雙電層電容效應提供改進的FET性能。柵介電層208可以通過旋涂或另一種合適的涂布或沉積技術(shù)施加或形成在柵電極210之上。改進的FET性能可以在柵介電層208相對厚的情況下取得，以便于減小泄漏電流，減輕否則可以導致降解的跨越柵介電層208的材料遷移，并且致使與低成本、高通量制造工藝的相容性。柵介電層208的厚度可以是至少大約200nm、至少大約300nm、至少大約400nm、至少大約500nm、至少大約600nm、至少大約700nm、至少大約800nm、至少大約900nm、至少大約1μm、至少大約1.1μm、至少大約1.2μm、至少大約1.3μm、或至少大約1.4μm、和多至大約1.6μm或更多、多至大約1.8μm或更多、多至大約2μm或更多、多至大約2.2μm或更多、多至大約3μm或更多、多至大約4μm或更多、或多至大約5μm或更多。柵介電層的表面粗糙度，比如頂表面的平均或均方根粗糙度，可以是多至大約1.5nm、多至大約1.4nm、多至大約1.3nm、多至大約1.2nm、多至大約1.1nm、多至大約1nm、多至大約0.9nm、多至大約0.8nm、多至大約0.7nm、多至大約0.6nm、多至大約0.5nm、多至大約0.4nm、或多至大約0.35nm、并且下至大約0.3nm或更小、下至大約0.25nm或更小、或下至大約0.2nm或更小。柵介電層208可以是多層的或可以包括一種或多種其它材料的額外的層，同時保持極性彈性體與半導體層206直接物理接觸或基本上與其緊貼。柵介電層208可以是線、錐形的圖案結(jié)構(gòu)，或具有孔的膜結(jié)構(gòu)。

半導體層206可以包括有機半導體、無機半導體或前述的組合或可以由其形成。合適的有機半導體的實例包括1)半導體小分子，其包括芳香族烴比如并五苯、蒽、紅熒烯、和其它多環(huán)芳香族烴；2)半導體低聚物和聚合物，比如聚(3-己基噻吩)、聚[2，5-雙(3-十四烷基苯硫-2-基)噻吩并[3，2-b]噻吩]、聚(四噻吩-二硫代苯基-吡咯并吡咯二酮)、聚(四噻吩并苯-吡咯并吡咯二酮)、聚(乙炔)、聚(吡咯)、和聚(苯胺)；3)富勒烯和富勒烯衍生物，比如[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯；4)石墨烯；5)碳納米管；和6)前述的兩種或更多種的組合。在其中半導體層206包括有機半導體的情況下，圖2(a)相當于有機FET(OFET)或有機薄膜晶體管(OTFT)的配置。合適的無機半導體的實例包括14族元素比如硅和鍺，14-14族二元合金，12-16族二元合金，13-15族二元合金，和11族元素、12族元素、13族元素、14族元素、15族元素、16族元素和17族元素的其它二元、三元、四元、或高階合金。合適的無機半導體的具體實例包括氧化鋅(ZnO)、銦鎵鋅氧化物(IGZO)、硅、和金屬二硫?qū)僭鼗衔?dichalcogenide)比如MoS₂和MoSe2。取決于具體的應用，半導體層206可以包括納米結(jié)構(gòu)，所述納米結(jié)構(gòu)包括一種或多種前述材料——比如半導體聚合物、石墨烯、碳納米管、MoS₂、硅納米線或其它納米線、或納米顆?！蛴善湫纬?。半導體層206可以通過層壓、旋涂、或另一種合適的涂布或沉積技術(shù)施加或形成在柵介電層208之上。

漏極、源極和柵電極202、204和210中的每個可以包括金屬、金屬合金、n型摻雜或p型摻雜的半導體、或前述的兩種或更多種的組合或可以由其形成。柵電極210可以通過例如摻雜半導體襯底形成，并且漏極和源極202和204可以通過蒸發(fā)或另一種合適的涂布或沉積技術(shù)施加或形成在半導體層206之上。

在圖2(a)的FET 200的操作期間，漏電壓可以被施加至漏極202或施加在漏極和源極202和204之間(V_D或V_DS)，并且柵電壓可以被施加至柵電極210(V_G)，從而誘導在漏極和源極202和204之間流動通過半導體層206的電流(I_DS)。

接著參考圖2(b)，底部-接觸、底部-柵FET 220包括柵電極230，施加、形成或以其它方式布置在柵電極230之上的柵介電層228，施加、形成或以其它方式布置在柵介電層228之上的漏極和源極224和226，和施加、形成或以其它方式布置在柵介電層228以及漏極和源極224和226之上的半導體層222。在圖解的實施方式中，柵介電層228包括極性彈性體或由其形成，并且柵介電層228與半導體層222直接物理接觸或基本上與其緊貼以通過雙電層電容效應提供改進的FET性能。柵介電層228可以是多層的或可以包括一種或多種其它材料的額外的層，同時保持極性彈性體與半導體層222直接物理接觸或基本上與其緊貼。柵介電層228可以是線、錐形的圖案結(jié)構(gòu)，或具有孔的膜結(jié)構(gòu)。圖2(b)的FET 220的多種方面可以如上面針對圖2(a)說明的類似地實施，并且那些方面不再重復。

接著參考圖2(c)，底部-接觸、頂部-柵FET 240包括襯底252，施加、形成或以其它方式布置在襯底252之上的漏極和源極248和250，施加、形成或以其它方式布置在襯底252以及漏極和源極248和250之上的半導體層246，施加、形成或以其它方式布置在半導體層246之上的柵介電層244，和施加、形成或以其它方式布置在柵介電層244之上的柵電極242。在圖解的實施方式中，柵介電層244包括極性彈性體或由其形成，并且柵介電層244與半導體層246直接物理接觸或基本上與其緊貼以通過雙電層電容效應提供改進的FET性能。柵介電層244可以是多層的或可以包括一種或多種其它材料的額外的層，同時保持極性彈性體與半導體層246直接物理接觸或基本上與其緊貼。柵介電層244可以是線、錐形的圖案結(jié)構(gòu)，或具有孔的膜結(jié)構(gòu)。圖2(c)的FET 240的多種方面可以如上面針對圖2(a)說明的類似地實施，并且那些方面不再重復。

接著參考圖2(d)，頂部-接觸、頂部-柵FET 260包括襯底272，施加、形成或以其它方式布置在襯底272之上的半導體層270，施加、形成或以其它方式布置在半導體層270之上的漏極和源極266和268，施加、形成或以其它方式布置在半導體層270以及漏極和源極266和268之上的柵介電層264，和施加、形成或以其它方式布置在柵介電層264之上的柵電極262。在圖解的實施方式中，柵介電層264包括極性彈性體或由其形成，并且柵介電層264與半導體層270直接物理接觸或基本上與其緊貼以通過雙電層電容效應提供改進的FET性能。柵介電層264可以是多層的或可以包括一種或多種其它材料的額外的層，同時保持極性彈性體與半導體層270直接物理接觸或基本上與其緊貼。柵介電層264可以是線、錐形的圖案結(jié)構(gòu)，或具有孔的膜結(jié)構(gòu)。圖2(d)的FET 260的多種方面可以如上面針對圖2(a)說明的類似地實施，并且那些方面不再重復。

有利地，包含作為柵電介體(gate dielectric)的極性彈性體的FET，比如圖2(a)-(d)中顯示的FET 200、220、240和260，可以展示大量改進的性能特性。例如，當在例如大約5V(或另一個值比如2V、3V或4V)的V_G的低量級或低絕對值和大約4V(或另一個值比如5V、3V或2V)的V_DS的量級或絕對值下操作時，F(xiàn)ET可以具有至少大約1×10^-6A、至少大約3×10^-6A、至少大約5×10^-6A、至少大約8×10^-6A、至少大約1×10^-5A、至少大約3×10^-5A、至少大約5×10^-5A、至少大約8×10^-5A、或至少大約1×10^-4A、并且多至大約3×10^-4A或更多、多至大約5×10^-4A或更多、多至大約8×10^-4A或更多、或多至大約1×10^-3A或更多的高通-電流(以I_DS的量級或絕對值表達)，其具有例如大約20的W/L比率，其中W是溝道寬度，并且L是溝道長度。在一些實施方式中，電流輸出可以隨W/L比率改變。

作為另一個實例，當在例如大約3V(或另一個值比如2V、4V或5V)的V_G的低量級或低絕對值下操作時，F(xiàn)ET可以具有至少大約1×10^-4S m^-1、至少大約3×10^-4S m^-1、至少大約5×10^-4S m^-1、至少大約8×10^-4S m^-1、至少大約1×10^-3S m^-1、至少大約3×10^-3S m^-1、至少大約5×10^-3S m^-1、至少大約8×10^-3S m^-1、至少大約1×10^-2S m^-1、或至少大約2×10^-2S m^-1、并且多至大約3×10^-2S m^-1或更多、多至大約5×10^-2S m^-1或更多、多至大約8×10^-2S m^-1或更多、或多至大約1×10^-1S m^-1或更多的高跨導/溝道寬度。

作為另一個實例，F(xiàn)ET可以具有至少大約6、至少大約25、至少大約50、至少大約1×10²、至少大約2×10²、至少大約3×10²、至少大約5×10²、至少大約1×10³、至少大約2×10³、至少大約3×10³、至少大約4×10³、至少大約5×10³、至少大約6×10³、至少大約7×10³、至少大約8×10³、至少大約9×10³、或至少大約1×10⁴、并且多至大約2×10⁴或更多、多至大約5×10⁴或更多、或多至大約1×10⁵或更多的線性區(qū)或飽和區(qū)中的高通/斷電流比率。

作為進一步的實例，包含作為柵電介體的極性彈性體的FET可以具有快速開關(guān)速度，比如表達為達到通態(tài)(規(guī)定為80％的最大電流)的響應時間和達到斷態(tài)(規(guī)定為20％的最大電流)的響應時間，其中響應時間至多大約500μs、至多大約400μs、至多大約300μs、至多大約200μs、至多大約100μs、至多大約90μs、至多大約80μs、至多大約70μs、或至多大約60μs、并且下至大約50μs或更小、下至大約45μs或更小、下至大約10μs或更小、下至大約1μs或更小、或下至大約0.1μs或更小?？焖匍_關(guān)速度還可以表達為FET的操作頻率范圍，其中FET可以在至少大約1Hz、大約10Hz、大約100Hz、大約1kHz、或大約10kHz的頻率下操作同時維持至少大約25、至少大約50、或至少大約1×10²的通/斷電流比率。

可以得益于包含極性彈性體的其它器件包括發(fā)光二極管、太陽能電池、發(fā)光晶體管、存儲器件、光電晶體管、晶體管傳感器、和電化學晶體管等。圖3(a)和3(b)顯示了根據(jù)本公開內(nèi)容的一些實施方式的發(fā)光二極管300和太陽能電池302的示意圖。參考圖3(a)和3(b)，器件300和302中的每個包括陽極316或318，施加、形成或以其它方式布置在陽極316或318之上的空穴傳輸層312或314，施加、形成或以其它方式布置在空穴傳輸層312或314之上的有源層(active layer)308或310，和施加、形成或以其它方式布置在有源層308或310之上的陰極304或306?？昭▊鬏攲?12或314可以包括半導體或可以由其形成，并且有源層308或310可以包括形成結(jié)比如p-n結(jié)的一種或多種半導體或可以由其形成。合適的半導體包括參考圖2說明的那些。圖3(a)和3(b)的器件300和302中的每個包含極性彈性體，比如在至少一個圖解的層內(nèi)或作為其一部分，以便于與包括在器件300和302中的半導體直接物理接觸或基本上與其緊貼?？蛇x地，或一起地(in conjunction)，極性彈性體可以包含在器件300和302中，作為與包括在器件300和302中的半導體直接物理接觸或基本上與其緊貼的單獨的層(未顯示)。例如，極性彈性體可以作為陰極304或306和有源層308或310之間單獨的層、作為有源層308或310和空穴傳輸層312或314之間單獨的層、作為空穴傳輸層312或314和陽極316或318之間單獨的層被包含，或前述的兩種或更多種的組合。圖3(a)和3(b)的器件300和302的多個方面可以如上面針對圖2說明的類似地實施，并且那些方面不再重復。

實施例

下列實施例描述了本公開內(nèi)容的一些實施方式的具體方面以向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員說明和提供描述。實施例不應當解釋為限制本公開內(nèi)容，因為實施例僅僅提供在理解和實踐本公開內(nèi)容的一些實施方式中有用的特定方法。

實施例1

極性彈性體的電介質(zhì)中的雙層電容效應和朝向高性能、低電壓、高跨導有機晶體管的應用

低的操作電壓下的高增益和高跨導二者對于有機場效應晶體管(OFET)的實際應用是期望的。此實施例描述了雙層電容效應在極性彈性體的電介質(zhì)中的重要性，盡管非常低的離子濃度和離子電導率。觀察到此效應極大地增強OFET在低電壓下的跨導。具體地，當極性彈性體聚(偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物)(e-PVDF-HFP)被用作介電材料時，觀察到大約10^-11S/cm的低離子電導率而沒有摻雜。另外，獲得比對于在半結(jié)晶PVDF-HFP上制作的相同的有機半導體測量的高大約30倍的跨導/溝道寬度。與其它具有雙層電容效應的高-跨導OFET相比，此實施例的電介質(zhì)具有如下獨特的優(yōu)勢：與標準制造工藝的相容性和在空氣和水二者中的高穩(wěn)定性。因此，得到的器件能夠展現(xiàn)水中的史無前例的穩(wěn)定操作，具有低偏壓應力效應。

極性氟化的PVDF-HFP彈性體——盡管低離子濃度——誘導施加的柵壓下的雙電層充電。此聚合物電介質(zhì)是利用大約0.3μF/cm²(或更多)的高靜態(tài)電容可溶液處理的，甚至在幾微米的厚度下。由此厚聚合物電介質(zhì)制成的器件能夠在低電壓下操作，具有高達大約0.02S m^-1(或更多)的跨導。此聚合物電介質(zhì)與多種有機半導體的溶液處理高度相容。顯著地，得到的器件在環(huán)境條件和水性條件二者中顯示高電流輸出和低偏壓應力二者。當包含高摩爾分數(shù)的VDF單元時，觀察到PVDF-HFP聚合物是半結(jié)晶的。然而，HFP單元的摩爾分數(shù)可以用于調(diào)節(jié)PVDF-HFP的機械性質(zhì)(參見圖8)。在此，e-PVDF-HFP——包含大約45mol.％HFP(如圖9中顯示通過NMR測定的)——是具有大約-20℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(T_g)的彈性材料(圖8)。其介電常數(shù)是如在1kHz下測量的大約11——與大約8至大約13的范圍一致的值。

厚聚合物介電膜(大約1.4μm至大約5μm)被用于此實施例的OFET，因為這樣的厚度可以顯著地減小泄漏電流并且利用大規(guī)模涂布工藝可更容易得到。膜表現(xiàn)出光滑表面(大約0.3nm的表面粗糙度)、低泄漏電流(對于大約1.4μm的厚度，V＝-1V下大約10^-6A cm^-2)和超過大約0.3MV/cm的高擊穿電場(圖11-14)。

為了評價使用此彈性高-k電介質(zhì)的器件性能，聚(四噻吩并苯-吡咯并吡咯二酮)(PTDPPTFT4)——圖4中顯示化學結(jié)構(gòu)——由于其高電荷遷移率最初被選擇為半導體層(還參見圖17和18)。器件在大約-5V的V_G下展示出大約10^-4A的高的通-電流，盡管使用厚介電層(大約1.4μm)。額外地，器件的亞閾值斜率(subthreshold slope)是大約120mV decade^-1，其比得上對于有機薄膜晶體管(OTFT)獲得的最低值。另外，閾電壓(V_TH)＜大約1V，其在低-電壓-驅(qū)動應用中是高度期望的。更重要地，PTDPPTFT4器件在大約-3V的柵電壓下展示大約0.02S m^-1的高跨導/溝道寬度。通過使用聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)(P(VDF-TrFE-CFE))作為在低頻率下具有多至大約60的高介電常數(shù)的介電層，可以取得在低電壓下操作的OTFT。然而，包括大約160nm的薄層以在大約-3V下取得大約4×10^-3S m^-1的高跨導/溝道寬度。利用此實施例的器件取得的值比得上具有超薄自組裝單層(SAM)電介質(zhì)的最好的報道的OTFT，但是稍微低于利用凝膠電解質(zhì)電介質(zhì)的報道的值。然而，由于此實施例的e-PVDF-HFP電介質(zhì)聚合物不包含進一步添加的離子，其與標準器件制作工藝高度相容并且產(chǎn)生在環(huán)境條件中和甚至在水下表現(xiàn)穩(wěn)定操作的器件，如下面更詳細地描述的。還考慮的是，離子可以被進一步添加以調(diào)節(jié)器件性能同時維持加工相容性和器件穩(wěn)定性。

即使低電壓下的高跨導對于實際應用是特別期望的，電荷載流子遷移率通常用于表征半導體的電荷傳輸能力。從來自飽和區(qū)和線性區(qū)的標準金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)模型計算電荷載流子遷移率，并且其取決于用于計算的電容值。大多數(shù)非離子電介質(zhì)展示相對恒定的電容，而不管測量頻率。e-PVDF-HFP的電容還被發(fā)現(xiàn)在大約20至大約100kHz保持幾乎不變，但是其在頻率降低至大約大約1Hz以下時迅速地增加(參見圖13)。因此，使用在≥20Hz下測量的電容值的遷移率計算的典型過程將導致遷移率的過高估計。此問題通過測量具有不同厚度的e-PVDF-HFP的晶體管被進一步確認。即使在大約20Hz下測量的電容與電介質(zhì)厚度成比例，如典型的電容器所期望的(圖11)，晶體管輸出電流也不顯示與電介質(zhì)厚度的期望的比例。此結(jié)果指示器件中的這樣的高跨導的起源很可能不同于使用其它基于PVDF的電介質(zhì)——其主要地利用它們的高極化性(polarizibility)——的那些。額外的測量由準靜態(tài)極限中的電容完成。事實上，接近準靜態(tài)極限的低頻率處觀察到電容值的激增。另外，電容作為介電層的厚度的函數(shù)顯示小的改變(圖11a)，這指示雙層充電效應存在于系統(tǒng)中。高電容還解釋了在低操作電壓下獲得的高跨導。

為了進一步確認準靜態(tài)極限中的電容值，測量由基于e-PVDF-HFP電容器和外部電阻的RC電路的時間常量完成(圖15)。有趣地，沒有觀察到電容的電壓依賴性。此結(jié)果確認了大約0.1Hz的低頻率下的高電容，其允許從OTFT測量明確地測定電容(圖11)和相應的遷移率(圖5b)?？紤]到?jīng)]有進一步添加離子，對于e-PVDF-HFP，雙層充電效應和低頻率下的高電容是令人驚訝的。比較而言，凝膠電解質(zhì)電介質(zhì)可以主要地由固定化在聚合物基體內(nèi)部的離子液體種類組成，并且可以具有大約10^-2-10^-5S/cm的高離子電導率。對于此實施例的e-PVDF-HFP，測量的離子電導率低許多數(shù)量級，在大約8×10^-11S/cm的范圍中(參見圖14)。相比之下，當半結(jié)晶PVDF-HFP(按摩爾分數(shù)計大約90％的VDF，稱為c-PVDF-HFP)被用作介電層時，如具有大約0.55μm至大約2.15μm的增加的c-PVDF-HFP厚度的常規(guī)電介質(zhì)所預期的，輸出電流減小(圖11b)。通過RC電路的充電/放電的準靜態(tài)電容也產(chǎn)生與在高頻率下測量的類似的電容值(＞20Hz)。

上面的結(jié)果指示此實施例的e-PVDF-HFP中不尋常的雙層充電效應與其低T_g(大約-20℃)相關(guān)。彈性聚合物由于高擺動是用于離子導體的期望的基體，所述高擺動促進局部配位幾何結(jié)構(gòu)的重新取向用于鹽的有效溶劑化。另外，e-PVDF-HFP中高濃度的極性基團是期望的以使鹽溶劑化以形成聚合物-鹽復合體，其中鹽可以源自在固化或其它加工中包含的交聯(lián)試劑或雜質(zhì)(通?；衔锏?(參見圖10)。在c-PVDF-HFP的情況下，沒有識別到有助于充電過程的離子的清楚的證據(jù)，這是由于高熔化溫度(大約142℃的T_m)結(jié)晶電介質(zhì)中抑制的擺動。聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)是彈性電介質(zhì)的實例。然而，它由于其低極性不展示雙電層充電的特征(圖11c和圖16)。因此，e-PVDF-HFP是不尋常的電介質(zhì)，其展示離子電介質(zhì)的雙層充電效應而不進一步添加離子，同時還維持非離子電介質(zhì)的加工特性和穩(wěn)定性。

e-PVDF-HFP電介體-柵控(dielectric-gated)OTFT中氟化極性彈性體和非常低的離子濃度的組合通過雙電層充電誘導了高電荷載流子密度。另外，評價的晶體管顯示大約0.5V的遲滯，以及與正向掃描相比更高的后向掃描電流(圖5c)。器件的性能取決于操作溫度，其中通過從室溫冷卻器件至200K跨導急劇下降(圖5d)。此下降可以主要地歸因于聚合物電介質(zhì)的離子遷移率，其直接地關(guān)聯(lián)于擺動并且強烈地取決于操作溫度(還參見圖20)。

幾種另外的溶液處理的半導體在厚的e-PVDF-HFP介電層上測試。如圖6中所示，具有聚(3-己基噻吩)(P3HT)、CVD-生長的石墨烯、和苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的晶體管也展示出高跨導。這些器件在小于大約5V的低柵電壓下生成大電流輸出。這些器件的跨導/溝道寬度被測量為比具有SiO₂或其它報道的聚合物電介質(zhì)的對應的材料的值高三至十倍。有趣地，與使用SiO₂或聚合物柵電介體的石墨烯器件相比，在e-PVDF-HFP上形成的石墨烯器件顯示出移位至大約1V的狄拉克點。這可以指示e-PVDF-HFP介電表面可以基本上沒有缺陷。下面的表1提供了使用e-PVDF-HFP介電層(大約1.4μm的厚度)在飽和區(qū)中測量的OFET電性能特性的概述。使用大約300nF cm^-2的準靜態(tài)電容計算遷移率值。PII2T是基于異靛的綴合聚合物。

表1

*括號中的遷移率由20Hz下的LCR計測量的電容(大約8.4nF cm^-2)開方。

緩慢響應時間是離子電介體-柵控FET的潛在問題。對于實際應用，比如射頻識別(RFID)和有機發(fā)光二極管(OLED)，開關(guān)速度是重要的器件參數(shù)。凝膠電解質(zhì)電介體-柵控器件的開關(guān)速度通常在1至100Hz的范圍內(nèi)。為了評價e-PVDF-HFP-柵控OFET的開關(guān)性狀，施加短柵電壓脈沖用于器件操作。e-PVDF-HFP/PTDPPTFT4晶體管展示大約44μs的接通應答(圖6e-f)。切斷開關(guān)頻率(f_c)——表征晶體管的最大操作頻率——通過測量作為頻率的函數(shù)的I_DS和I_G被測定為大約11kHz，其中f_c被規(guī)定為其中AC調(diào)制的I_DS等于寄生的柵流(I_G)時的頻率。有趣地，f_c值(大約11kHz)比得上或甚至高于許多具有非常高的離子濃度的凝膠電解質(zhì)器件，盡管e-PVDF-HFP中超低的離子濃度。在較高的頻率下觀察到的I_DS的下降(圖6e)可以歸因于增加的頻率的情況下減小的電容。此外，增加的I_G可以主要地歸因于寄生的電流，其來自漏極/源極和柵電極之間的大的重疊。此實施例的器件的切斷頻率主要地受長的溝道長度(L＝大約50μm)和漏極/源極和柵電極之間的大的重疊約束，其導致大的寄生的柵流。因此器件的開關(guān)速度可以通過減少漏極/源極和柵電極的重疊和進一步修飾柵電介體而被進一步改進。

OFET的另一個潛在問題是隨著時間的偏壓應力和器件穩(wěn)定性。典型的基于雙層充電電容器的晶體管對濕度高度敏感。額外地，在電介質(zhì)中存在的大量離子可以擴散入半導體層并且導致氧化還原反應和材料降解。出于此目的，在環(huán)境條件下采用不同柵電壓下大約10分鐘的偏壓周期詳細地分析e-PVDF-HFP-PTDPPTFT4器件(圖7a)。FET中持續(xù)數(shù)小時的其它偏壓應力分析通常報告至少幾個伏特的閾電壓移位，甚至在氟化電介質(zhì)的情況下。低-電壓晶體管關(guān)于閾電壓移位通常是最穩(wěn)定的而且在大約27h的偏壓后顯示大約一伏特的移位。在獲得基于ePVDF-HFP的器件中的長期應力效應的信息的目的的情況下，施加V_D＝V_G＝大約-0.5V的偏壓，并且在持續(xù)大約30分鐘的每個偏壓步驟前和緊接著每個偏壓步驟后測量轉(zhuǎn)移特性。此測量連續(xù)地重復超過120h，其中器件展示高度穩(wěn)定的通電流(I_D)和泄漏電流(I_G)(圖7b)。有趣地，閾電壓(V_TH)顯示小于大約±25mV的小變化，并且重要地，甚至在120h后沒有觀察到漂移。為了評價水介質(zhì)下的器件穩(wěn)定性，小的中空PDMS室被安裝在原始器件的頂部上，并且利用注射泵連續(xù)地泵送去離子(DI)水超過90h，產(chǎn)生極小的偏壓應力、穩(wěn)定的I_D和輕微減小的泄漏電流。利用在環(huán)境條件下儲存多于三個月的器件，以及浸入DI水中超過24h的器件，測試ePVDF-HFP電介質(zhì)的穩(wěn)定性，二者均顯示電容值的可以忽略的變化。因而，此實施例展現(xiàn)了在連續(xù)偏壓下驅(qū)動的OTFT，其中活性材料直接地暴露于水并且展示V_TH和電流輸出的小變化。直接暴露于空氣和水二者的情況下的史無前例的器件穩(wěn)定性與e-PVDF-HFP電介質(zhì)的高的環(huán)境和水穩(wěn)定性，以及作為活性材料的PTDPPTFT4的高穩(wěn)定性直接相關(guān)。這些結(jié)果指示e-PVDF-HFP提供雙層充電電介質(zhì)的優(yōu)勢，即低-電壓操作和高跨導，同時維持史無前例的器件穩(wěn)定性和低泄漏電流。這致使e-PVDF-HFP對規(guī)定高電流輸出的應用和傳感器應用尤其有吸引力。

下面的表2提供了在具有不同的半導體和電介質(zhì)的晶體管中的偏壓應力上的結(jié)果：閾電壓移位ΔV_TH；被柵偏壓歸一化的閾電壓移位ΔV_TH/V_G；給定V_D和V_G下器件的通-電流I_D；累積的偏壓時間(偏壓-時間)；聚三芳胺(PTAA)；六-甲基二硅氮烷(HMDS)；聚(4-甲-氧基苯乙烯)(PMOS)；聚(4-甲基苯乙烯)(PMS)和聚(五氟苯乙烯)(PFS)。

表2

*遷移率的降級：在24小時偏壓應力期間，遷移率從大約0.6cm²/V s降低至大約0.4cm²/V s，即大約1.4％/小時。

**對于在空氣和DI-水中測量，遷移率的降級分別以大約0.22％/小時和大約0.25％/小時下降。

通過總結(jié)，此實施例已經(jīng)證明極性彈性電介質(zhì)e-PVDF-HFP顯著地增強OTFT在低操作電壓下的跨導，盡管采用的介電層的厚度大于一微米。高OTFT性能與介電層中雙電層的形成——低離子濃度下聚合物電介質(zhì)中的不尋?，F(xiàn)象——相關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明，甚至在極端低的離子電導率(大約8×10^-11S/cm)下——比其它聚合物電解質(zhì)或離子液體/凝膠低幾個數(shù)量級的值，存在雙電層充電對OTFT轉(zhuǎn)移特性的顯著影響。此外，結(jié)果證明了驗證準靜態(tài)極限中的電容以便正確地表征電荷載流子遷移率的重要性。彈性氟化聚合物的高極化和低T_g的組合導致雙層電容效應，其導致在器件中觀察到的高跨導。重要地，此電介質(zhì)通?？梢猿接袡C半導體適用于各種半導體。由于其低成本、與標準制造工藝的相容性、低驅(qū)動電壓和在空氣和水介質(zhì)中的高穩(wěn)定性，極性彈性聚合物電介質(zhì)可以發(fā)現(xiàn)在多種應用比如生物醫(yī)學器件、傳感器、可穿戴電子設(shè)備和可伸縮器件中的價值。

方法：

有機半導體P3HT(來自Sigma-Aldrich)、PTDPPTFT4(由Corning Co.提供)和PCBM(來自Sigma-Aldrich)被直接使用而不需要進一步純化。根據(jù)Mei等，“Siloxane-Terminated Solubilizing Side Chains：Bringing Conjugated Polymer Backbones Closer and Boosting Hole Mobilities in Thin-Film Transistors，”J.Am.Chem.Soc.，2011，133(50)，pp.20130-20133的先前報道的過程合成PII2T。e-PVDF-HFP從3M Co.(3M^TMDyneon^TM Fluoroelastomer FE)購買。在惰性氣氛下(在氮手套箱中)，通過攪拌過夜將大約1.2g溶解于大約10mL無水2-丁酮中。獲得的溶液通過0.2mm聚四氟乙烯(PTFE)過濾器過濾并且以大約1，500rpm旋涂在高度摻雜的n-型Si(100)(＜大約0.004Ω.cm)晶片上持續(xù)大約1min。旋涂的膜然后在大約80℃下干燥大約10min并且隨后在大約180℃下交聯(lián)大約6小時。通過使用UV-臭氧清潔被用作襯底的Si晶片持續(xù)大約20min。

半導體聚合物和PCBM以大約1,000rpm旋涂在分別來自氯苯(P3HT，大約5mg/ml)、二氯苯(PII2T，大約5mg/ml)、氯苯(PTDPPTFT4，大約5mg/ml)和氯仿(PCBM，大約10mg/ml)的氟化彈性體的頂部上持續(xù)大約1min。這些材料然后在惰性氣氛下在大約120℃下退火大約1h以移除任何殘留溶劑。使用化學氣相沉積使單層石墨烯膜在銅(Cu)箔上生長。隨后，CVD-生長的石墨烯片被轉(zhuǎn)移至e-PVDF-HFP/Si襯底上用于器件制作。金(Au)源極-漏極觸點然后通過半導體薄膜的頂部上的蔭罩蒸發(fā)(頂部接觸)。

利用交叉極化的光學顯微鏡(Leica DM4000M)記錄光學顯微照片。利用Dektak 150輪廓曲線儀(Veeco Metrology Group)進行厚度測量。使用Multimode Nanoscope III(Digital Instruments/Veeco Metrology Group)進行敲擊模式(tapping mode)原子力顯微術(shù)。在TA Instruments Q2000上實現(xiàn)差示掃描量熱法。在Stanford Synchrotron Radiation Lightsource(SSRL)處，在具有大約12.7keV的光子能的光束線11-3上進行掠入射X射線衍射(GIXD)實驗(參見圖19)。二維(2D)圖像板(MAR345)被用于監(jiān)測衍射的X射線。檢測器距樣品中心大約400mm。入射角保持大約0.08度，輕微地低于對應于總反射比的臨界角以減少來自有源層之下的無定形的電介質(zhì)的散射背景。在大約0.12的入射角處，有源層的衍射峰被背景散射遮蔽，而在低于大約0.08度的入射角處，來自有源層的信號變得更弱。暴露時間是大約6min。使用wxDiff軟件分析GIXD數(shù)據(jù)。

在金屬-絕緣體-金屬(MIM)和金屬-絕緣體-半導體(MIS)結(jié)構(gòu)中執(zhí)行電容-電壓特性。在MIM結(jié)構(gòu)中，重摻雜的Si(＜大約0.004Ω.cm)和鋁(Al)(大約100nm)被分別用作底部和頂部電極，并且大約1.4μm-厚的PVDF-HFP被用作絕緣層。電極區(qū)域在大約0.02至大約0.12cm²的范圍中。在MIS結(jié)構(gòu)中，半導體層使用上述器件制作條件沉積在e-PVDF-HFP/摻雜的Si襯底上。Au(大約40nm)被沉積在半導體層上作為頂部電極。利用Agilent E4980A Precision LCR和Bio-Logic VMP3電化學工作站測量電介質(zhì)的電容。通過添加外部電阻，施加Keithley型號2400作為電壓源和Keithley型號2635A作為電壓計，實施基于RC電路的充電/放電的準靜態(tài)電容測量。

通過使用Keithley 4200半導體參數(shù)分析儀(Keithley Instruments，Cleveland，OH)在填充氮的手套箱或在空氣中記錄OTFT傳遞和輸出特性(參見圖12)。

雖然已經(jīng)參考其具體的實施方式描述了本公開內(nèi)容，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應當理解可以做出多種改變和替換等價物，而不背離如所述權(quán)利要求所限定的本公開內(nèi)容的真實精神和范圍。此外，可以做出許多修改以使具體的情況、材料、物質(zhì)組合物、方法或一種或多種操作適應本公開內(nèi)容的目標、精神和范圍。所有這樣的修改意欲在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。具體而言，雖然可能已經(jīng)參考以特定順序執(zhí)行的特定操作描述了某些方法，但是將理解這些操作可以組合、細分或重新排序以形成等價的方法，而不背離本公開內(nèi)容的教導。因此，除非本文具體地指示，操作的順序和分組不是本公開內(nèi)容的限制。