«Это часть серии работ, которые мы проделали в нашей лаборатории по высокотемпературным диэлектрикам для использования в конденсаторах», — сказал Цин Ван, профессор материаловедения и инженерии Пенсильванского университета. «До этой работы мы разработали композит из нанолистов из нитрида бора и диэлектрических полимеров, но поняли, что существуют значительные проблемы с экономичным масштабированием этого материала».Масштабируемость — или создание современных материалов в коммерчески значимых количествах для устройств — была определяющей проблемой для многих новых двумерных материалов, разрабатываемых в академических лабораториях.«С точки зрения мягких материалов 2D-материалы интересны, но как их массово производить — вопрос», — сказал Ван. «Кроме того, возможность комбинировать их с полимерными материалами — ключевая особенность будущих гибких электронных приложений и электронных устройств».
Чтобы решить эту проблему, лаборатория Ванга сотрудничала с группой из Пенсильванского университета, работающей с двумерными кристаллами.«Эта работа была задумана в ходе бесед между моим аспирантом Амином Азизи и аспирантом доктора Вана Мэтью Гадински», — сказал Насим Алем, доцент кафедры материаловедения и инженерии и преподаватель Центра двумерных и Слоистые материалы. «Это первый надежный эксперимент, в котором мягкий полимерный материал и твердый двумерный кристаллический материал объединились, чтобы создать функциональное диэлектрическое устройство».
Азизи, ныне постдокторант Калифорнийского университета в Беркли, и Гадински, теперь старший инженер в DOW Chemical, разработали технику с использованием химического осаждения из газовой фазы для изготовления многослойных гексагональных нанокристаллических пленок из нитрида бора и переноса пленок на них обоих. стороны полиэфиримидной (PEI) пленки. Затем они соединили пленки вместе с помощью давления в трехслойную сэндвич-структуру. В результате, который удивил исследователей, одного давления без каких-либо химических связей было достаточно, чтобы сделать отдельно стоящую пленку достаточно прочной, чтобы ее можно было изготавливать в высокопроизводительном процессе с рулона на рулон.Результаты были опубликованы в недавнем выпуске журнала Advanced Materials в статье под названием «Высокоэффективные полимеры, зажатые с химическим осаждением из паров гексагональных нитридов бора как масштабируемые высокотемпературные диэлектрические материалы».
Гексагональный нитрид бора — это широкозонный материал с высокой механической прочностью. Его широкая запрещенная зона делает его хорошим изолятором и защищает пленку PEI от пробоя диэлектрика при высоких температурах, что является причиной выхода из строя других полимерных конденсаторов.
При рабочих температурах выше 176 градусов по Фаренгейту лучшие современные коммерческие полимеры начинают терять эффективность, но PEI, покрытый гексагональным нитридом бора, может работать с высокой эффективностью при температуре выше 392 градусов по Фаренгейту. Даже при высоких температурах PEI с покрытием оставался стабильным в течение более 55 000 циклов заряда-разряда при испытаниях.«Теоретически все эти высокоэффективные полимеры, которые имеют такую коммерческую ценность, могут быть покрыты нанолистами бора, чтобы блокировать инжекцию заряда», — сказал Ван. «Я думаю, что это сделает эту технологию пригодной для коммерциализации в будущем».Алем добавил: «Есть много устройств, сделанных из двумерных кристаллов в лабораторных масштабах, но дефекты делают их проблемой для производства.
С материалом с большой шириной запрещенной зоны, таким как нитрид бора, он хорошо справляется, несмотря на небольшие микроструктурные особенности, которых может не быть. идеально ".Расчеты из первых принципов показали, что электронный барьер, установленный на границе раздела ПЭИ / гексагональной структуры нитрида бора и металлических электродов, приложенных к структуре для доставки, ток значительно выше, чем у типичных контактов металлический электрод-диэлектрический полимер, что делает его более сильным. трудно вводить заряды с электрода в пленку.
Эта работа была выполнена группой теоретических исследований Лун-Цин Чена, профессора материаловедения и инженерии Дональда В. Хамера, профессора инженерных наук, механики и математики Пенсильванского университета.