CN106463620B - 用于高性能电子和光电子器件的极性弹性体 - Google Patents

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Abstract

电子或光电子器件包括：(1)半导体层；(2)电连接至半导体层的电极对；和(3)与半导体层接触并且包括极性弹性体的介电层，其中弹性体具有不大于25℃的玻璃化转变温度Tg。

Description

用于高性能电子和光电子器件的极性弹性体
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年4月16日提交的美国临时申请号61/980,390的权益，其内容通过引用以其全部并入本文。
关于联邦资助研究或开发的声明
利用由空军科学研究办公室授予的合同FA9550-12-1-0190下的政府支持完成本发明。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本公开内容一般地涉及极性弹性体和其在电子和光电子器件中的用途。
背景技术
具有高增益和高跨导二者的场效应晶体管(FET)对宽范围的应用是期望的，包括逻辑电路、显示驱动器和传感。基于有机半导体的高性能FET，即有机FET(OFET)，由于其与低成本、高通量制造工艺的相容性和与软组织的机械顺从性是特别感兴趣的。然而，由于其相对低的电荷载流子迁移率，利用有机半导体实现高跨导是挑战性的。为了处理这些挑战，已经做出尝试以开发具有高电容的介电层，比如使用超薄自组装单层(SAM)、掺杂离子的聚合物电解质和离子凝胶电解质作为OFET的介电层。然而，由于SAM制作的低产量、液体/凝胶材料与标准制造工艺的不相容性和离子介电材料的高湿度敏感性，在将上述介电层用于实际应用中仍存在挑战。
在此背景下，出现了开发本文描述的实施方式的需要。
发明内容
本公开内容的一个方面涉及电子或光电子器件。在一些实施方式中，器件包括：(1)半导体层；(2)电连接至半导体层的电极对；和(3)与半导体层接触并且包括极性弹性体的介电层，其中弹性体具有不大于25℃的玻璃化转变温度Tg。
在另外的实施方式中，器件包括：(1)半导体层；(2)电连接至半导体层的电极对；和(3)与半导体层接触并且包括极性弹性体的介电层，其中弹性体包括离子并且具有不大于1×10-6S/cm的离子电导率。
在进一步的实施方式中，器件是晶体管，其包括：(1)半导体层；(2)电连接至半导体层的漏极(drain electrode)；(3)电连接至半导体层的源极(source electrode)；(4)栅电极；和(5)栅介电层(gate dielectric layer)，其中栅介电层被布置在栅电极和半导体层之间，并且栅介电层包括极性弹性体，所述极性弹性体具有不大于25℃的玻璃化转变温度Tg并且具有至少1×10-12S/cm并且至多1×10-6S/cm的离子电导率。
本公开内容的其它方面和实施方式也被考虑。前述概述和下列详细描述不意为将本公开内容限制于任何具体的实施方式，而是仅仅意为描述本公开内容的一些实施方式。
附图说明
为了更好地理解本公开内容的一些实施方式的性质和目标，应当结合附图参考下列详细描述。
图1：a，通过如下测量的铁电性聚合物的典型的极化-电压曲线：通过将铁电性聚合物层夹在中间的电极对施加跨越铁电性聚合物层的时变电压。b，通过相似测试设置测量的本公开内容的一些实施方式的极性弹性体的实例极化-电压曲线。
图2(a)、2(b)、2(c)和2(d)：根据本公开内容的一些实施方式的FET的多种配置的示意图。
图3(a)和3(b)：根据本公开内容的一些实施方式的额外器件的配置的示意图。
图4：极性弹性体偏氟乙烯/六氟丙烯共聚物(e-PVDF-HFP)膜的化学结构、器件结构示意图和表征。a，e-PVDF和聚(四噻吩并苯-吡咯并吡咯二酮)(PTDPPTFT4)的晶体管器件结构和化学结构。b-c，PTDPPTFT4的输出和转移特性(沟道长度L＝大约50μm，沟道宽度W＝大约1,000μm)，其中VDS＝大约-5V。电介质的厚度是大约1.4μm。观察到IDS 1/2对VG曲线图中的两个斜率。这可以归因于在器件中存在接触电阻。大约+0.2V至大约-2V的范围中的第一斜率用于估算迁移率值。
图5：在e-PVDF-HFP和半结晶偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(c-PVDF-HFP)上制作的PTDPPTFT4晶体管的器件特性。a，在具有不同厚度的e-PVDF-HFP介电层上制备的有机薄膜晶体管(OTFT)的转移曲线。b，通过使用大约20Hz、大约0.1Hz和准静态值下的电容测定的作为e-PVDF-HFP的厚度的函数的对应场效应迁移率。采用大约20Hz下的电容导致在转移特性测量期间低估实际电荷载流子密度并且因此夸大迁移率值。c，正向和反向扫描中的器件特性。d，在e-PVDF-HFP(实迹线)和十八烷基三氯硅烷(OTS)-改性的SiO2(虚迹线)上形成的PTDPPTFT4场效应晶体管(FET)的温度依赖性跨导。e，在具有不同厚度的c-PVDF-HFP介电层上形成的OTFT的转移曲线。f，通过使用大约20Hz和准静态值下的电容测定的作为c-PVDF-HFP的厚度的函数的对应场效应迁移率。
图6：基于e-PVDF-HFP介电层的OTFT的电特性，其中W/L＝大约20。聚(3-己基噻吩)(P3HT)、石墨烯和苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的OTFT的转移和输出特性分别在a、b和c中。注意在线性区(linear-regime)中估算石墨烯器件的转移特性，其中VDS＝大约-0.1V。每个图板展示转移曲线，在插入的较小的图中显示输出特性。d，不同的电介质之间的跨导比较。所有跨导被归一化为大约-3V的驱动栅电压。黑点显示从基于常用介电层的OFET获得的跨导，所述常用介电层包括交联的Cytop(厚度＝大约50-70nm)、交联的聚苯乙烯(PS)(厚度＝大约10nm)、交联的聚(乙烯基苯基)(PVP)(厚度＝大约280nm)、SiO2(厚度＝大约230-300nm)和半结晶PVDF-HFP(厚度＝大约1.4μm)。注意所有SiO2电介质被OTS自组装单层(SAM)改性。垂直虚线右边的点表示从基于e-PVDF-HFP的OFET获得的性能。所有e-PVDF-HFP器件的跨导比在OTS-改性的SiO2上制成的相同材料高大约一个数量级。e，具有作为介电层的e-PVDF-HFP的PTDPPTFT4晶体管(L＝大约50μm，W＝大约1,000μm)的IDS和IG电流对频率，其中VDS＝大约-15V，VG＝大约10V至大约-10V。基于IDS和IG的交叉估算截止频率(fc)。f，PTDPPTFT4对大约1kHz下的方波函数栅-电压脉冲的IDS响应，脉冲宽度＝大约1ms，脉冲上升时间＝大约4μs，并且沟道长度＝大约50μm。响应时间被规定为从20％断(off)达到最大通电流(on-current)的80％的时间。
图7：具有作为半导体材料的PTDPPTFT4的e-PVDF-HFP器件的偏压应力分析。a，在环境条件中，VG＝大约-0.5、大约-1、大约-3和大约-5V下的PTDPPTFT4FET的偏压应力性状(IDS对时间)。b，在空气(实心符号)和去离子(DI)水(空心符号)中，在每个偏压周期结束时测量的电流ID和泄漏电流IG上的长期偏压。施加VD＝VG＝大约-0.5V的偏压，并且在每个偏压步骤前和紧接着每个偏压步骤后测量转移特性。c和d，分别在空气和DI水中，长期偏压期间线性和饱和区二者中的迁移率和阈值电压的漂移的进化。利用准静态电容计算场效应迁移率。通过在时间中进行线性回归来分析迁移率的减小，其展示分别对于空气和DI水中的器件大约-0.22％/小时和大约-0.25％/小时的斜率。曲线图中的中断是新的测量周期的开始并且假如器件暴露于DI水则再填充注射泵。
图8：e-PVDF-HFP的物理性质。a，e-PVDF-HFP和半结晶PVDF-HFP聚合物的差示扫描量热法(DSC)迹线。缺少半结晶聚合物特有的熔融峰指示当将HFP单元的摩尔分数增加至大约45％时形成无定形物。从总的氟重量百分比(大约65.9％)计算e-PVDF-HFP中VDF和HFP单元的分数。b，e-PVDF-HFP的应力-应变循环的测试。e-PVDF-HFP显示多至大约50％应变的弹性性质并且维持多至大约100％应变的一些弹性。显著的塑性变形在超过大约100％应变时开始出现并且在大约150％应变时导致材料破裂。
图9：e-PVDF-HFP聚合物的核磁共振(NMR)光谱。a，e-PVDF-HFP的1H NMR。通过VDF(箭头)和交联剂(圆圈)上质子的整合计算交联剂的百分比。交联剂的量计算为大约1mol.％。b，半结晶PVDF-HFP的19F NMR；HFP单元的摩尔分数计算为大约10％。c，具有大约1.4μm的厚度的e-PVDF-HFP膜的表面形态的原子力显微镜学(AFM)图像。
图10：VDF-HFP单元中偶极矩的计算。a，e-PVDF-HFP的电荷密度分布和优化的几何结构的密度泛函理论(DFT)混合泛函计算。已经利用Gaussian-09软件使用B3LYP/6-31G(d)基组DFT混合泛函实施了PVDF-HFP的电荷密度分布、总偶极矩和优化的几何结构的计算。根据计算，观察到沿着PVDF-HFP主链存在大的极化。这导致在聚合物链上与最极化的区域不同的局部偶极矩，所述最极化的区域对应于VDF和HFP单元之间的接头。b，分子的能量计算为标记2C和16C的原子(图中的箭头)之间的双面角(沿着键旋转)的函数。利用Gaussian-09软件使用B3LYP/6-31G(d)基组DFT混合泛函实施了总偶极矩和结构能量计算。PVDF-HFP的优化的几何结构被用作此坐标扫描的起始点。根据计算，观察到强的局部偶极存在于在VDF-HFP键的最有利的旋转下的VDF和HFP交叉处。
图11：电容作为e-PVDF-HFP、c-PVDF-HFP和聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)的介电层厚度的函数的相关性。a，通过RC电路的充电/放电测定的大约20Hz、大约0.1Hz和准静态电容下的e-PVDF-HFP的电容值。大约20Hz下的电容值与介电层的厚度成反比例，其表示介电层的常规充电过程。大约0.1Hz的低频率下的值——其接近静态极限——由于双电层充电过程不展示对介电层厚度的相关性。结果与基于RC电路的充电/放电的准静态电容一致。b，大约20Hz下的c-PVDF-HFP的电容展示与其厚度成反比例的趋势，其非常接近准静态电容。c，大约20Hz下的PDMS的电容与其厚度成反比例。
图12：在e-PVDF-HFP(大约1.4μm厚度)上由多种有机半导体形成的OTFT的转移特性。所有器件包括具有L＝大约50μm和W＝大约1,000μm的底部-栅和顶部-接触金(Au)漏极和源极。所有器件在氮气氛中测量。a，P3HT(VDS＝大约-5V)b，PII2T(VDS＝大约-10V)c，PCBM(VDS＝大约+7V)d，基于PCBM的OTFT的输出特性。e，在具有大约1.4μm-厚的e-PVDF-HFP层的Au/e-PVDF-HFP/铝(Al)的器件中测量的栅极漏电流对电压的曲线。
图13：不同的频率下大约1.4μm厚的e-PVDF-HFP的电容。使用Biologic VMP3电化学工作站测量电容。在大约10Hz至大约105Hz的范围内的频率中，电容大致上是恒定值，其对应于电容器的常规充电过程。大约10Hz以下电容值的激增是由于双电层充电。
图14：大约10-2至大约105Hz的频率范围内的介电常数光谱。ε′(在a中)和ε″(在b中)分别表示电容率的实部和虚部。ε″从大约1至大约100Hz与频率成反比，其允许离子电导率开方为大约8×10-11S/cm。使用Biologic VMP3电化学工作站测量所述值。
图15：基于RC电路的充电/放电的准静态电容测量。a、d，测量设置的示意图。Keithley SourceMeter型号2400被用于给电路充电。Keithley SourceMeter型号2635A被用作电压计。对于充电周期，500±50MΩ的电阻与K2400计串联连接，而对于放电周期，电阻器并联连接。b、e，电容样品上的测量的电压降，施加的U0＝大约0.25、大约0.5、大约0.75、大约1、大约1.25、大约1.5、大约1.75和大约2V的电压。c、f，基于具有大约1.4μm的厚度的e-PVDF-HFP的典型器件的充电和放电的计算的栅-电容，其展示Ci＝287±31nF/cm2。
图16：在具有不同厚度的PDMS介电层上制作的OTFT的器件特性。a，晶体管器件结构的示意图。器件采用底部-接触、底部-栅结构。由铬(Cr)/Au(大约5nm/大约40nm)形成的源极/漏极在具有不同厚度的PDMS介电层上预成型(pre-pattern)，接着是在大约5mm厚的PDMS衬底的协助下将有机半导体层压至电极上的转移过程。因为当将有机半导体直接地旋涂(spun)在PDMS上时PDMS的膨胀问题，所以使用此过程。b，作为PDMS介电层的厚度的函数的OTFT的转移曲线。c，随着PDMS的厚度增加迁移率减小。在具有较薄的介电层的器件中观察到的较高的迁移率归因于高电荷载流子密度处阱的有效填充。
图17：PTDPPTFT4的线性区电流-电压曲线。a，输出和b，PTDPPTFT4的转移特性，其中沟道长度＝大约100μm且沟道宽度＝大约2,000μm。
图18：在半结晶PVDF-HFP介电层上形成的PTDPPTFT4对照器件的典型的电流-电压曲线。a，输出和b，转移特性(VDS＝大约-80V)，其中沟道长度＝大约50μm且沟道宽度＝大约1,000μm。半结晶PVDF-HFP(厚度是大约1.5μm)的电容在惰性气氛中测量。在e-PVDF-HFP(大约1.4μm)上制作器件时，对于比得上的大约10-4A的通-电流，施加大约-60V的高的栅压。来自饱和区的计算的迁移率是0.38±0.03cm2V-1s-1。I开/I关和VTH分别是大约3×105和0±4V。
图19：多种介电表面上的PTDPPTFT4薄膜的分子堆积(molecular packing)。a，OTS-改性的SiO2介电层上的PTDPPTFT4的掠入射X射线衍射(GIXD)图案。b，ePVDF-HFP上的PTDPPTFT4的GIXD图案。c，分别地OTS-改性的SiO2和ePVDF-HFP上PTDPPTFT4薄膜的Qz＝(200)衍射峰下的方位角X射线衍射(XRD)概况。与OTS-改性的SiO2上的膜相比，e-PVDF-HFP上的PTDPPTFT4膜呈现更窄的衍射峰，其指示有机半导体在e-PVDF-HFP的表面上具备较大的晶粒大小。额外地，观察到e-PVDF-HFP上的π-π堆积距离(stacking distance)从大约减小至大约并且片晶(lamella)堆积距离从大约增加至大约
图20：e-PVDF-HFP介电层(大约1.4μm)上的PTDPPTFT4晶体管的温度依赖性性状。利用具有L＝大约50μm和W＝大约1,000μm的底部-栅和顶部-接触Au电极形成晶体管。a，在不同温度下操作的PTDPPTFT4FET的转移曲线。b，在冷却期间在具有或不具有连续施加的大约-5V的栅偏压(gate bias)的情况下测量的PTDPPTFT4FET的转移曲线。注意在冷却期间以积聚模式对器件施加栅偏压导致高的断-电流。此结果可以是由于低温(聚合物的Tg以下)下的低离子迁移率。
详细描述
定义
下列定义适用于关于本公开内容的一些实施方式描述的一些方面。这些定义同样可以在本文的基础上展开。
如本文使用的，单数术语“一个”、“一种”和“该”包括复数指代物，除非上下文另外明确地规定。因而，例如，提及对象可以包括多个对象，除非上下文另外明确地规定。
如本文使用的，术语“组”指的是一个或多个对象的集合。因而，例如，一组对象可以包括单个对象或多个对象。一组中的对象还可以称为该组的成员。一组中的对象可以是相同的或不同的。在一些情况下，一组中的对象可以共享一种或多种共同的特性。
如本文使用的，术语“基本上地”、“基本上的”和“大约”用于描述和解释小变化。当连同项目或事件使用时，术语可以指的是其中项目或事件精确地发生的情况以及其中项目或事件接近近似地发生的情况。例如，术语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，相关术语，比如“外部”、“内部”、“外部的”、“顶部”、“上部”、“向上地”、“下部”、“底部”、“向下地”、“横向的”和“横向地”指的是一组对象关于彼此的取向，比如根据附图，但是在制造或使用期间不需要那些对象的具体取向。
如本文使用的，术语“任选的”和“任选地”意思是随后描述的项目或事件可以发生或可以不发生，并且该描述包括其中项目或事件发生的情况和其中其不发生的情况。
如本文使用的，术语“连接(couple)”、“连接的(coupled)”和“连接(coupling)”指的是操作连接或接合。连接的对象可以彼此直接地连接或可以彼此间接地连接，比如通过另一组对象。
如本文使用的，术语“纳米范围”或“nm范围”指的是大约1纳米(nm)至大约1微米(μm)的尺寸范围。nm范围包括指的是大约1nm至大约10nm的尺寸范围的“低nm范围”、指的是大约10nm至大约100nm的尺寸范围的“中nm范围”、和指的是大约100nm至大约1μm的尺寸范围的“高nm范围”。
如本文使用的，术语“微米范围”或“μm范围”指的是大约1μm至大约1毫米(mm)的尺寸范围。μm范围包括指的是大约1μm至大约10μm的尺寸范围的“低μm范围”、指的是大约10μm至大约100μm的尺寸范围的“中μm范围”、和指的是大约100μm至大约1mm的尺寸范围的“高μm范围”。
如本文使用的，术语“长宽比”指的是对象的最大尺寸或程度和对象的其余尺寸或程度的平均值的比率，其中其余尺寸可以关于彼此并且关于最大尺寸基本上正交。在一些情况下，对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当于其余尺寸中的任一个。例如，圆柱体的长宽比指的是圆柱体的长度和圆柱体的横截面直径的比率。作为另一个实例，球状体的长宽比指的是沿着球状体的长轴的尺寸和沿着球状体的短轴的尺寸的比率。
如本文使用的，术语“纳米结构”指的是具有nm范围中的至少一种尺寸的对象。纳米结构可以具有任何各种形状，并且可以由各种材料形成。纳米结构的实例包括纳米线、纳米管和纳米颗粒。
如本文使用的，术语“纳米线”指的是基本上是固体的细长的纳米结构。通常，纳米线具有nm范围中的横向尺寸(例如，宽度形式的横截面尺寸、直径、或表示跨越正交方向的平均值的宽度或直径)、μm范围中的纵向尺寸(例如，长度)、和大约3或更大的长宽比。
如本文使用的，术语“纳米管”指的是细长的、中空的纳米结构。通常，纳米管具有nm范围中的横向尺寸(例如，宽度形式的横截面尺寸、外径、或表示跨越正交方向的平均值的宽度或外径)、μm范围中的纵向尺寸(例如，长度)、和大约3或更大的长宽比。
如本文使用的，术语“纳米颗粒”指的是球状纳米结构。通常，纳米颗粒的每个尺寸(例如，宽度形式的横截面尺寸、直径、或表示跨越正交方向的平均值的宽度或直径)在nm范围中，并且纳米颗粒具有小于大约3比如大约1的长宽比。
如本文使用的，“基团”指的是形成分子的一部分的一组原子。在一些情况下，基团可以包括彼此结合的两个或更多个原子以形成分子的一部分。基团可以是一价的或多价的以允许结合至分子的一个或多个另外的基团。例如，一价基团可以设想为如下分子：其中移除其氢原子中的一个以允许结合至分子的另一个基团。基团可以是中性的、带正电荷的、或带负电荷的。例如，带正电荷的基团可以设想为其中添加一个或多个质子(即，H+)的中性基团，并且带负电荷的基团可以设想为其中移除一个或多个质子的中性基团。基团的实例包括在下列中陈述的那些。
如本文使用的，术语“烷烃”指的是饱和烃分子。对于某些实施，烷烃可以包括1至100个碳原子。术语“低级烷烃”指的是包括1至20个碳原子比如1至10个碳原子的烷烃，而术语“高级烷烃”指的是包括多于20个碳原子比如21至100个碳原子的烷烃。术语“支链烷烃”指的是包括一组支链的烷烃，而术语“无支链烷烃”指的是直链的烷烃。术语“环烷烃”指的是包括一组环结构——比如单环结构或二环结构或高阶环状结构——的烷烃。术语“杂烷烃”指的是如下烷烃：一组其碳原子被一组杂原子比如N、Si、S、O和P取代。术语“取代的烷烃”指的是如下烷烃：一组其氢原子被一组取代基取代，而术语“未取代的烷烃”指的是缺少这样的取代的烷烃。上面的术语的组合可以用于指具有特性的组合的烷烃。例如，术语“支链低级烷烃”可以用于指包括1至20个碳原子和一组支链的烷烃。
如本文使用的，术语“烷基”指的是一价形式的烷烃。例如，烷基可以设想为如下烷烃，其中移除其氢原子中的一个以允许结合至分子的另一个基团。术语“低级烷基”指的是一价形式的低级烷烃，而术语“高级烷基”指的是一价形式的高级烷烃。术语“支链烷基”指的是一价形式的支链烷烃，而术语“无支链烷基”指的是一价形式的无支链烷烃。术语“环烷基”指的是一价形式的环烷烃，并且术语“杂烷基”指的是一价形式的杂烷烃。术语“取代的烷基”指的是一价形式的取代的烷烃，而术语“未取代的烷基”指的是一价形式的未取代的烷烃。烷基的实例包括甲基、乙基、正丙基、异丙基、环丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、环丁基、正戊基、1-金刚烷基、2-蒎烯(pinenyl)、和其带电荷的、杂形式或取代的形式。
如本文使用的，术语“亚烷基”指的是二价形式的烷烃。例如，亚烷基可以设想为如下烷烃：其中移除其氢原子中的两个以允许结合至分子的一个或多个另外的基团。术语“低级亚烷基”指的是二价形式的低级烷烃，而术语“高级亚烷基”指的是二价形式的高级烷烃。术语“支链亚烷基”指的是二价形式的支链烷烃，而术语“无支链亚烷基”指的是二价形式的无支链烷烃。术语“环亚烷基”指的是二价形式的环烷烃，并且术语“杂亚烷基”指的是二价形式的杂烷烃。术语“取代的亚烷基”指的是二价形式的取代的烷烃，而术语“未取代的亚烷基”指的是二价形式的未取代的烷烃。亚烷基的实例包括亚甲基、亚乙基、亚丙基、2-甲基亚丙基、和其带电荷的、杂形式或取代的形式。
如本文使用的，术语“烯烃”指的是包括一组碳-碳双键的不饱和烃分子。对于某些实施，烯烃可以包括2至100个碳原子。术语“低级烯烃”指的是包括2至20个碳原子比如2至10个碳原子的烯烃，而术语“高级烯烃”指的是包括多于20个碳原子比如21至100个碳原子的烯烃。术语“环烯烃”指的是包括一组环结构——比如单环结构或二环结构或高阶环状结构——的烯烃。术语“杂烯烃”指的是如下烯烃：一组其碳原子被一组杂原子比如N、Si、S、O和P取代。术语“取代的烯烃”指的是如下烯烃：一组其氢原子被一组取代基取代，而术语“未取代的烯烃”指的是缺少这样的取代的烯烃。上面的术语的组合可以用于指具有特性的组合的烯烃。例如，术语“取代的低级烯烃”可以用于指包括1至20个碳原子和一组取代基的烯烃。
如本文使用的，术语“烯基”指的是一价形式的烯烃。例如，烯基可以设想为如下烯烃：其中移除其氢原子中的一个以允许结合至分子的另一个基团。术语“低级烯基”指的是一价形式的低级烯烃，而术语“高级烯基”指的是一价形式的高级烯烃。术语“环烯基”指的是一价形式的环烯烃，并且术语“杂烯基”指的是一价形式的杂烯烃。术语“取代的烯基”指的是一价形式的取代的烯烃，而术语“未取代的烯基”指的是一价形式的未取代的烯烃。烯基的实例包括乙烯基、2-丙烯基(即，烯丙基)、异丙烯基、环丙烯基、丁烯基、异丁烯基、叔丁烯基、环丁烯基、和其带电荷的、杂形式或取代的形式。
如本文使用的，术语“亚烯基”指的是二价形式的烯烃。例如，亚烯基可以设想为如下烯烃：其中移除其氢原子中的两个以允许结合至分子的一个或多个另外的基团。术语“低级亚烯基”指的是二价形式的低级烯烃，而术语“高级亚烯基”指的是二价形式的高级烯烃。术语“环亚烯基”指的是二价形式的环烯烃，并且术语“杂亚烯基”指的是二价形式的杂烯烃。术语“取代的亚烯基”指的是二价形式的取代的烯烃，而术语“未取代的亚烯基”指的是二价形式的未取代的烯烃。亚烯基的实例包括亚乙烯基、亚丙烯基、2-甲基亚丙烯基、和其带电荷的、杂形式或取代的形式。
如本文使用的，术语“炔烃”指的是包括一组碳-碳三键的不饱和烃分子。在一些情况下，炔烃还可以包括一组碳-碳双键。对于某些实施，炔烃可以包括2至100个碳原子。术语“低级炔烃”指的是包括2至20个碳原子比如2至10个碳原子的炔烃，而术语“高级炔烃”指的是包括多于20个碳原子比如21至100个碳原子的炔烃。术语“环炔烃”指的是包括一组环结构——比如单环结构或二环结构或高阶环状结构——的炔烃。术语“杂炔烃”指的是如下炔烃：一组其碳原子被一组杂原子比如N、Si、S、O和P取代。术语“取代的炔烃”指的是如下炔烃：一组其氢原子被一组取代基取代，而术语“未取代的炔烃”指的是缺少这样的取代的炔烃。上面的术语的组合可以用于指具有特性的组合的炔烃。例如，术语“取代的低级炔烃”可以用于指包括1至20个碳原子和一组取代基的炔烃。
如本文使用的，术语“炔基”指的是一价形式的炔烃。例如，炔基可以设想为如下炔烃：其中移除其氢原子中的一个以允许结合至分子的另一个基团。术语“低级炔基”指的是一价形式的低级炔烃，而术语“高级炔基”指的是一价形式的高级炔烃。术语“环炔基”指的是一价形式的环炔烃，并且术语“杂炔基”指的是一价形式的杂炔烃。术语“取代的炔基”指的是一价形式的取代的炔烃，而术语“未取代的炔基”指的是一价形式的未取代的炔烃。炔基的实例包括乙炔基、丙炔基、异丙炔基、丁炔基、异丁炔基、叔丁炔基、和其带电荷的、杂形式或取代的形式。
如本文使用的，术语“亚炔基(alkynylene group)”指的是二价形式的炔烃。例如，亚炔基可以设想为如下炔烃：其中移除其氢原子中的两个以允许结合至分子的一个或多个另外的基团。术语“低级亚炔基”指的是二价形式的低级炔烃，而术语“高级亚炔基”指的是二价形式的高级炔烃。术语“环亚炔基”指的是二价形式的环炔烃，并且术语“杂亚炔基”指的是二价形式的杂炔烃。术语“取代的亚炔基”指的是二价形式的取代的炔烃，而术语“未取代的亚炔基”指的是二价形式的未取代的炔烃。亚炔基的实例包括亚乙炔基、亚丙炔基、1-亚丁炔基、1-丁烯-3-亚炔基(1-buten-3-ynylene)、和其带电荷的、杂形式或取代的形式。
如本文使用的，术语“芳烃”指的是芳香族烃分子。对于某些实施，芳烃可以包括5至100个碳原子。术语“低级芳烃”指的是包括5至20个碳原子比如5至14个碳原子的芳烃，而术语“高级芳烃”指的是包括多于20个碳原子比如21至100个碳原子的芳烃。术语“单环芳烃”指的是包括单个芳环结构的芳烃，而术语“多环芳烃”指的是包括多于一个芳环结构——比如两个或更多个芳环结构，其经由碳-碳键结合或其稠合在一起——的芳烃。术语“杂芳烃”指的是如下芳烃：一组其碳原子被一组杂原子比如N、Si、S、O和P取代。术语“取代的芳烃”指的是如下芳烃：一组其氢原子被一组取代基取代，而术语“未取代的芳烃”指的是缺少这样的取代的芳烃。上面的术语的组合可以用于指具有特性的组合的芳烃。例如，术语“单环低级芳烃”可以用于指包括5至20个碳原子和单个芳环结构的芳烃。
如本文使用的，术语“芳基”指的是一价形式的芳烃。例如，芳基可以设想为如下芳烃：其中移除其氢原子中的一个以允许结合至分子的另一个基团。术语“低级芳基”指的是一价形式的低级芳烃，而术语“高级芳基”指的是一价形式的高级芳烃。术语“单环芳基”指的是一价形式的单环芳烃，而术语“多环芳基”指的是一价形式的多环芳烃。术语“杂芳基”指的是一价形式的杂芳烃。术语“取代的芳基”指的是一价形式的取代的芳烃，而术语“未取代的芳基”指的是一价形式的未取代的芳烃。芳基的实例包括苯基、联苯基、萘基、吡啶基、哒嗪基、嘧啶基、吡嗪基、喹啉基、异喹啉基、和其带电荷的、杂形式或取代的形式。
如本文使用的，术语“氢基(hydride group)”指的是-H。
如本文使用的，术语“卤素基团”指的是-X，其中X是卤素原子。卤素基团的实例包括氟代、氯代、溴代和碘代。
如本文使用的，术语“羟基”指的是-OH。
如本文使用的，术语“硫基(thio group)”指的是-SH。
如本文使用的，术语“氰基”指的是-CN。
如本文使用的，术语“硝基”指的是-NO2。
如本文使用的，术语“氨基”指的是-NH2。
如本文使用的，术语“N-取代的氨基”指的是如下氨基：一组其氢原子被一组取代基取代。N-取代的氨基的实例包括-NRR’，其中R和R’选自氢基、烷基、烯基、炔基和芳基，并且R和R’中的至少一个不是氢基。
如本文使用的，术语“铵基团”指的是-NH3 +。
如本文使用的，术语“N-取代的铵基团”指的是如下铵基团：一组其氢原子被一组取代基取代。N-取代的铵基团的实例包括-NR”R’R+，其中R、R’和R”选自氢基、烷基、烯基、炔基和芳基，并且R、R’和R”中的至少一个不是氢基。
如本文使用的，术语“酰胺基团”指的是-(C＝O)NH2。
如本文使用的，术语“N-取代的酰胺基团”指的是如下酰胺基团：一组其氢原子被一组取代基取代。N-取代的酰胺基团的实例包括-(C＝O)NRR’，其中R和R’选自氢基、烷基、烯基、炔基和芳基，并且R和R’中的至少一个不是氢基。
如本文使用的，术语“羧基”指的是-(C＝O)OH。
如本文使用的，术语“烷基羰氧基”指的是-O(C＝O)R，其中R是烷基。
如本文使用的，术语“烯基羰氧基”指的是-O(C＝O)R，其中R是烯基。
如本文使用的，术语“炔基羰氧基”指的是-O(C＝O)R，其中R是炔基。
如本文使用的，术语“芳基羰氧基”指的是-O(C＝O)R，其中R是芳基。
如本文使用的，术语“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，术语“N-取代的烷基羰基氨基”指的是如下烷基羰基氨基：结合至其氮原子的其氢原子被取代基取代。N-取代的烷基羰基氨基的实例包括-NR(C＝O)R’，其中R选自烷基、烯基、炔基和芳基，并且R’是烷基。
如本文使用的，术语“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，术语“N-取代的烯基羰基氨基”指的是如下烯基羰基氨基：结合至其氮原子的其氢原子被取代基取代。N-取代的烯基羰基氨基的实例包括-NR(C＝O)R’，其中R选自烷基、烯基、炔基和芳基，并且R’是烯基。
如本文使用的，术语“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，术语“N-取代的炔基羰基氨基”指的是如下炔基羰基氨基：结合至其氮原子的其氢原子被取代基取代。N-取代的炔基羰基氨基的实例包括-NR(C＝O)R’，其中R选自烷基、烯基、炔基和芳基，并且R’是炔基。
如本文使用的，术语“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，术语“N-取代的芳基羰基氨基”指的是如下芳基羰基氨基：结合至其氮原子的其氢原子被取代基取代。N-取代的芳基羰基氨基的实例包括-NR(C＝O)R’，其中R选自烷基、烯基、炔基和芳基，并且R’是芳基。
如本文使用的，术语“脲基团”指的是-NH(C＝O)NH2。
如本文使用的，术语“环氧基”指的是：
如本文使用的，术语“唑烷酮基团”指的是：
以及其中N和O原子的位置在环结构内改变的变体。
如本文使用的，术语“富勒烯”指的是一组碳笼(carbon cage)分子。对于某些实施，富勒烯分子可以包括三维骨架，所述三维骨架包括多个碳原子，并且形成闭合壳层，其可以是球形或半球形的形状。富勒烯分子的碳原子通常结合至以四面体几何结构排布的三个最近的近邻(nearest-neighbor)。富勒烯分子可以被指定为Cn，其中n是对应于包括在富勒烯分子的骨架中的碳原子的数目的整数。例如，C60指的是包括32个面的平截二十面体分子，其中12个面是基本上五边形的并且20个面是基本上六边形的。富勒烯分子的其它实例包括Cn，其中n在50至250的范围中，比如C70、C72、C74、C76、C78、C80、C82和C84。术语“富勒烯衍生物”指的是已经以任何方式修饰的富勒烯，包括其带电荷的、杂形式或取代的形式。
额外地，浓度、量、比率和其它数值在本文有时以范围格式呈现。可以理解，出于方便和简洁使用这样的范围格式，并且应当灵活地理解包括明确地规定为范围的极限的数值，而且包括在该范围内涵盖的所有个体数值或子范围，如同每个数值和子范围被明确地规定一样。例如，大约1至大约200的范围中的比率应当理解包括明确叙述的大约1和大约200的极限，而且包括个体比率比如大约2、大约3和大约4，和子范围比如大约10至大约50、大约20至大约100等。
极性弹性体
本公开内容的一些实施方式涉及可以包含在各种电子和光电子器件中以为那些器件提供改进的性能特性的极性弹性体。在一些实施方式中，改进的性能特性通过施加的电场下的极性弹性体中的双电层充电效应取得。双电层充电效应可以升高包含极性弹性体的器件的电容和输出(例如，电流输出或其它输出)。有利地，甚至在低离子浓度的情况下，极性弹性体可以展示双电层充电效应，并且可以提供与标准制造工艺相容性以及环境和高湿度条件下的高稳定性。另外，金属功函可以通过与极性弹性体接触改变。
一般而言，根据本公开内容的一些实施方式的极性弹性体可以包括多种不同类型的主链结构并且可以包括一种或多种类型的单体单元。具体而言，极性弹性体可以具有线性或非线性的主链结构。非线性主链结构的实例包括支化主链结构，比如为星型支化、梳状支化、或帚状支化、和网络主链结构的那些。极性弹性体可以是包括一种类型的单体单元的均聚物或包括两种或更多种不同类型的单体单元的共聚物。共聚物的不同类型的单体单元可以根据统计分布、以无规方式、以交替方式、以周期方式、以长序列或嵌段、以径向方式、或以其它方式排布。共聚物的实例包括统计共聚物、无规共聚物、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。在一些实施方式中，极性弹性体可以能够交联、缠结或氢键合，以便增加其韧性或其对环境或制造条件下的降解的抗性。在一些实施方式中，极性弹性体可以具有数均分子量(或重均分子量)，其是至少大约5,000、至少大约6,000、至少大约7,000、至少大约8,000、至少大约9,000、至少大约10,000、至少大约20,000、至少大约30,000、至少大约40,000、或至少大约50,000、多至大约100,000、多至大约500,000、或更多。
一些实施方式的极性弹性体包括至少一种类型的包含极性基团的单体单元。有利地，这样的极性基团提供可以促进盐的溶解和溶剂化以形成离子的电偶极，其可以在施加的电场下在双电层充电过程中迁移。在一些实施方式中，合适的极性基团包括具有如下电偶极矩的那些：至少大约0.5德拜、至少大约0.8德拜、至少大约1德拜、至少大约1.5德拜、至少大约2德拜、至少大约2.5德拜、至少大约3德拜、至少大约3.5德拜、至少大约4德拜、至少大约4.5德拜、至少大约5德拜、至少大约5.5德拜、至少大约6德拜、至少大约6.5德拜、至少大约7德拜、至少大约7.5德拜、至少大约8德拜、至少大约8.5德拜、至少大约9德拜、或至少大约9.5德拜，并且多至大约10德拜、多至大约12德拜、或更多。在一些实施方式中，合适的极性基团包括2个或更多个原子，比如3个或更多个原子、4个或更多个原子、5个或更多个原子等，但是极性基团还可以包括单个原子。在一些实施方式中，合适的极性基团包括2个或更多个原子，比如3个或更多个原子、4个或更多个原子、5个或更多个原子等，并且其中至少一个原子是碳原子。合适的极性基团的实例包括取代的烷基(例如，取代有1个、2个、3个或更多个卤素基团或下面列举的其它极性基团，比如包括1至10、1至5或1或1至3个碳原子和取代有1个、2个、3个或更多个氟代基团(fluoro group)或其它极性基团的烷基)、取代的烯基(例如，取代有1个、2个、3个或更多个卤素基团或下面列举的其它极性基团，比如包括2至10、2至5或2至3个碳原子和取代有1个、2个、3个或更多个氟代基团或其它极性基团的烯基)、取代的炔基(例如，取代有1个、2个、3个或更多个卤素基团或下面列举的其它极性基团，比如包括2至10、2至5或2至3个碳原子和取代有1个、2个、3个或更多个氟代基团或其它极性基团的炔基)、取代的芳基(例如，取代有1个、2个、3个或更多个卤素基团或下面列举的其它极性基团，比如包括5至14个碳原子和取代有1个、2个、3个或更多个氟代基团或其它极性基团的芳基)、羟基、硫代基团、氰基、硝基、氨基、N-取代的氨基、铵基团、N-取代的铵基团、酰胺基团、N-取代的酰胺基团、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、脲基团、环氧基、唑烷酮基团、和其带电荷的、取代的或杂的形式。合适的极性基团的具体实例包括-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)。
在一些实施方式中，极性弹性体的极性基团可以作为侧链结合至主链结构，从而提供极性基团的旋转或其它运动的更大自由度并且促进用于盐的有效溶解和溶剂化的局部配位几何结构的重新取向。在这样的实施方式中，极性弹性体可以被称为包括含极性基团的侧链，并且极性基团可以直接地结合至主链结构，或可以经由连接体原子或基团——比如亚烷基、亚烯基、亚炔基、或杂原子——结合至主链结构。
此外，极性弹性体的极性基团的旋转或其它运动以及极性弹性体的其它摆动的自由度通过聚合物的弹性、橡胶状或无定形性质得到或增强，其中聚合物链和缔合的极性基团在施加的电场或其它应力或刺激的存在下具有重排的能力，从而促进双电层充电过程中溶剂化离子的迁移。在一些实施方式中，极性弹性体是无定形聚合物，或包括无定形区域，并且具有低玻璃化转变温度(Tg)以允许在玻璃化转变温度处或以上重排聚合物链和缔合的极性基团。在一些实施方式中，当以块状形式(bulk form)测量时，极性弹性体的Tg可以不大于大约25℃、不大于大约20℃、不大于大约10℃、不大于大约0℃、不大于大约-5℃、不大于大约-10℃、不大于大约-15℃、或不大于大约-20℃、和下至大约-30℃、下至大约-50℃、下至大约-100℃、或更小。例如，当以块状形式测量时，极性弹性体的Tg可以在大约-100℃至大约25℃、大约-100℃至大约-50℃、大约-50℃至大约25℃、大约-50℃至大约0℃、或大约0℃至大约25℃的范围中。当以薄膜的形式测量时，极性弹性体的Tg可以相对于其块状形式值更高，但是上述范围通常也适用于作为薄膜实施的极性弹性体。更一般地，极性弹性体的Tg可以选择不大于、或低于其中包含极性弹性体的器件的操作温度范围的下阈值。取决于具体的应用，还预期的是，高于大约25℃的极性弹性体的Tg可以是合适的。极性弹性体的Tg可以通过添加一种或多种增塑剂被调节，比如降低至大约25℃或更小。
在极性弹性体的Tg处或以上并且在施加的电场基本上不存在下，极性弹性体处于橡胶状状态，并且极性弹性体的极性基团的旋转或其它运动的自由度可以导致基本上无规取向的电偶极。此无规取向又可以产生极性弹性体的电极化，其表达为每单位体积的平均电偶极矩，其基本上是零。在一些实施方式的极性弹性体的情况下，此自发的非零电极化的缺少区分了极性弹性体与某些铁电物质，比如铁电性聚合物。在一些实施方式中，通过使用极化-电压曲线可以将极性弹性体与铁电物质区分。例如，图1(a)显示了通过如下测量的铁电性聚合物的典型的极化-电压曲线：通过将铁电性聚合物层夹在中间的电极对施加跨越铁电性聚合物层的时变电压。当施加的电压为零时，铁电性聚合物具有显著的极化-电压迟滞连同自主的非零电极化。另一方面，图1(b)显示了通过相似测试设置测量的本公开内容的一些实施方式的极性弹性体的实例极化-电压曲线。当施加的电压基本上为零时，电极化基本上线性于施加的电压，其具有很少或不具有迟滞且具有很少或不具有电极化。在一些实施方式中，当施加的电压是基本上0V时，极性弹性体的电极化不大于大约1mC/m2，比如不大于大约0.9mC/m2、不大于大约0.8mC/m2、不大于大约0.7mC/m2、不大于大约0.6mC/m2、不大于大约0.5mC/m2、不大于大约0.4mC/m2、不大于大约0.3mC/m2、不大于大约0.2mC/m2、不大于大约0.1mC/m2、不大于大约0.05mC/m2、或不大于大约0.01mC/m2、和下至大约0.001mC/m2或更小、下至大约0.0001mC/m2或更小、或下至零。
极性弹性体在一些实施方式中可以是部分或完全弹性的，并且在一些实施方式中可以是部分或完全粘弹性的。极性弹性体在一些实施方式中还可以是相对无弹性的或可以展示很少或不展示粘弹性。例如，极性弹性体可以具有在变形后恢复至其原始大小和形状的一些倾向，比如恢复至其原始大小的±99％内、其原始大小的±90％内、其原始大小的±80％内、其原始大小的±70％内、其原始大小的±60％内、其原始大小的±50％内、其原始大小的±40％内、其原始大小的±30％内、其原始大小的±20％内、其原始大小的±10％内、其原始大小的±5％内、或其原始大小的±1％内。极性弹性体可以由其它特性证明。例如，极性弹性体可以是相对柔性的，其具有多至大约1GPa、多至大约0.9GPa、多至大约0.8GPa、多至大约0.7GPa、多至大约0.6GPa、多至大约0.5GPa、多至大约0.4GPa、多至大约0.3GPa、多至大约0.2GPa、多至大约0.1GPa、或多至大约0.05GPa、和下至大约0.01GPa、下至大约0.005GPa、或更小的杨氏模量。作为另一个实例，极性弹性体可以具有至少大约20％、至少大约30％、至少大约40％、至少大约50％、至少大约60％、至少大约70％、至少大约80％、至少大约90％、至少大约100％、至少大约150％、或至少大约200％、并且多至大约300％、多至大约400％、多至大约500％、或更多的相对高的断裂伸长百分率。
通过展示双电层充电效应，一些实施方式的极性弹性体甚至在低离子浓度的情况下可以具有高电容。在一些实施方式中，当在大约10Hz或更小——比如大约1Hz、大约0.1Hz、或更小——或在准静态条件下测量时，极性弹性体的电容可以是至少大约0.005μF/cm2、至少大约0.007μF/cm2、至少大约0.01μF/cm2、至少大约0.03μF/cm2、至少大约0.05μF/cm2、至少大约0.07μF/cm2、至少大约0.1μF/cm2、至少大约0.3μF/cm2、或至少大约0.5μF/cm2、并且多至大约0.7μF/cm2、多至大约1μF/cm2、多至大约1.3μF/cm2、或更多。
在一些实施方式中，极性弹性体可以包括离子，或可以与离子结合或混合，所述离子可以是阴离子和阳离子的形式，并且其可以在施加的电场下在双电层充电过程中迁移。离子可以源自在固化或其它制造过程中包括以形成极性弹性体的盐。离子浓度——表达为相对于极性弹性体连同离子的总重量的包括在极性弹性体中的离子的重量百分比(或表达为离子所源自的盐的重量百分比)——可以不大于按重量计大约5％、不大于按重量计大约4％、不大于按重量计大约3％、不大于按重量计大约2％、不大于按重量计大约1％、不大于按重量计大约0.9％、不大于按重量计大约0.8％、不大于按重量计大约0.7％、不大于按重量计大约0.6％、或不大于按重量计大约0.5％、并且下至按重量计大约0.3％、下至按重量计大约0.2％、下至按重量计大约0.1％、或更小。这样低的离子浓度使得极性弹性体是高度稳定的和抗高湿度条件的，并且减轻离子非期望地扩散入相邻的器件层，所述扩散可以导致氧化还原反应和材料降解。合适的盐(离子可以源自其)的实例包括有机盐，比如季盐如(CH3)2(C2H5)2P+Cl-、(C2H5)3C18H37P+SO4H-、(环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(tetrabutylphosphonium captate)，和季铵盐如(CH3)3N+OH-、(C4H9)3N+Cl-、HO-(C4H9)3N+CH2CH2N+(C4H9)3OH-、(C4H9)3CH2＝CHCH2N+-OPO(OC2H5)2和CF3CF2OCF2CF2OCF2CH2N+(C4H9)3BF6 -。离子的实例包括有机阳离子和平衡阴离子，比如上面的实例季盐中的阳离子和平衡阴离子，以及上面的季铵盐中的铵阳离子和平衡阴离子。
极性弹性体的离子浓度可以由其它特性证明。例如，一些实施方式的极性弹性体可以包括低离子浓度，使得极性弹性体的离子电导率小于大约1×10-5S/cm、比如不大于大约1×10-6S/cm、不大于大约5×10-7S/cm、不大于大约1×10-7S/cm、不大于大约5×10-8S/cm、不大于大约1×10-8S/cm、不大于大约5×10-9S/cm、不大于大约1×10-9S/cm、不大于大约5×10-10S/cm、或不大于大约1×10-10S/cm、并且下至大约8×10-11S/cm、下至大约5×10-11S/cm、下至大约1×10-11S/cm、下至大约1×10-12S/cm、或更小。
极性弹性体在湿度条件下的高稳定性还可以通过其疏水性质得到。极性弹性体的疏水性质在其可湿性方面表征，其可以基于极性弹性体的表面和布置在表面上的液态水滴之间的接触角规定。接触角可以是液-汽界面与固-液界面相交的角度。一些实施方式的极性弹性体的疏水性质可以生成大于或等于大约90°的接触角，比如至少大约95°、至少大约100°、至少大约105°、至少大约110°、至少大约115°、或至少大约120°、并且多至大约140°、多至大约150°、或更多。
如上面记载的，一些实施方式的极性弹性体包括至少一种类型的包含极性基团的单体单元。例如，极性弹性体可以是包括一种类型的单体单元的均聚物，所述单体单元包括一种或多种相同或不同的极性基团。作为另一个实例，极性弹性体可以是包括两种或更多种不同类型的单体单元的共聚物，并且至少一种类型的单体单元包括一种或多种相同或不同的极性基团。在一些实施方式的共聚物的情况下，每种类型的单体单元可以包括一种或多种相同或不同的极性基团，并且不同类型的单体单元可以包括相同或不同的极性基团。在其它实施方式的共聚物的情况下，至少一种类型的单体单元可以包括一种或多种相同或不同的极性基团，并且至少另一种类型的单体单元可以缺少任何极性基团或可以包括一种或多种具有低极性的基团，比如具有小于大约0.5德拜的电偶极矩的那些。在共聚物的这样的实施方式中，相对于所有单体单元，包括极性基团的单体单元的摩尔含量或分数(例如，组合的摩尔含量)是至少或大于大约0.2(或大约20％)、至少或大于大约0.25(或大约25％)、至少或大于大约0.3(或大约30％)、至少或大于大约0.35(或大约35％)、至少或大于大约0.4(或大约40％)、至少或大于大约0.45(或大约45％)、至少或大于大约0.5(或大约50％)、至少或大于大约0.55(或大约55％)、至少或大于大约0.6(或大约60％)、至少或大于大约0.65(或大约65％)、至少或大于大约0.7(或大约70％)、或至少或大于大约0.75(或大约75％)、并且多至大约0.8(或大约80％)、多至大约0.9(或大约90％)、或更多。
根据一些实施方式，极性弹性体是由如下式给出的均聚物：
-[M]n-
其中M是包括一种或多种极性基团的极性单体单元，并且n大于一并且表示包括在极性弹性体中的单体单元的数目，并且因此表示极性弹性体的聚合程度。M可以选自，例如，包括2至10个碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2个碳原子——的亚烷基、亚烯基和亚炔基，其可以取代有至少一个极性基团，比如1、2、3或4个相同或不同的极性基团，并且其可以任选地进一步取代有至少一个卤素基团，比如1、2、3或4个相同或不同的卤素基团。M的具体实例是六氟丙烯(HFP)，以及取代有至少一种极性基团——比如卤代烷基、氰基、硝基、和其它极性基团——的其它亚烷基。在一些实施方式中，n是至少大约10、至少大约20、至少大约50、至少大约100、至少大约500、或至少1,000、并且多至大约5,000、多至大约10,000、多至大约50,000、多至大约100,000、或更多。在一些实施方式中，由上面的式给出的极性弹性体可以被交联，或可以与一种或多种额外的材料——比如选自盐、离子、聚合物、无机材料、有机材料和纳米结构——结合或混合。
根据一些实施方式，极性弹性体是由如下式中的任一个给出的共聚物：
-([M]x[M’]y)n-
-([M]x[M’]y)-
其中M是包括一种或多种极性基团的第一极性单体单元，M’是包括一种或多种极性基团的不同的第二极性单体单元，0＜x＜1，0＜y＜1，x+y＝1，并且n大于一并且表示包括在极性弹性体中的单体单元的数目，并且因此表示极性弹性体的聚合程度。M和M’可以选自例如包括2至10个碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2个碳原子——的亚烷基、亚烯基和亚炔基，其可以取代有至少一个极性基团，比如1、2、3或4个相同或不同的极性基团，并且其可以任选地进一步取代有至少一个卤素基团，比如1、2、3或4个相同或不同的卤素基团。M或M’的具体实例是HFP，以及取代有至少一种极性基团——比如卤代烷基、氰基、硝基、和其它极性基团——的其它亚烷基。在一些实施方式中，n是至少大约10、至少大约20、至少大约50、至少大约100、至少大约500、或至少1,000、并且多至大约5,000、多至大约10,000、多至大约50,000、多至大约100,000、或更多。由上面的式给出的共聚物可以是统计共聚物、无规共聚物、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。在一些实施方式中，由上面的式给出的极性弹性体可以被交联，或可以与一种或多种额外的材料——比如选自盐、离子、聚合物、无机材料、有机材料和纳米结构——结合或混合。
根据一些实施方式，极性弹性体是由如下式中的任一个给出的共聚物：
-([M]x[M’]y)n-
-([M]x[M’]y)-
其中M是包括一种或多种极性基团的第一极性单体单元，M’是缺少任何这样的极性基团的不同的第二单体单元，0＜x＜1，0＜y＜1，x+y＝1，并且n大于一并且表示包括在极性弹性体中的单体单元的数目，并且因此表示极性弹性体的聚合程度。M可以选自例如包括2至10个碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2个碳原子——的亚烷基、亚烯基和亚炔基，其可以取代有至少一个极性基团，比如1、2、3或4个相同或不同的极性基团，并且其可以任选地进一步取代有至少一个卤素基团，比如1、2、3或4个相同或不同的卤素基团。M’可以选自例如包括2至10个碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2个碳原子——的亚烷基、亚烯基和亚炔基，其任选地取代有至少一种卤素基团，比如1、2、3或4个相同或不同的卤素基团。M的具体实例是HFP，以及取代有至少一种极性基团——比如卤代烷基、氰基、硝基、和其它极性基团——的其它亚烷基，并且M’的具体实例包括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)。在一些实施方式中，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。在一些实施方式中，n是至少大约10、至少大约20、至少大约50、至少大约100、至少大约500、或至少1,000、并且多至大约5,000、多至大约10,000、多至大约50,000、多至大约100,000、或更多。由上面的式给出的共聚物可以是统计共聚物、无规共聚物、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。在一些实施方式中，由上面的式给出的极性弹性体可以被交联，或可以与一种或多种额外的材料——比如选自盐、离子、聚合物、无机材料、有机材料和纳米结构——结合或混合。
根据一些实施方式，极性弹性体是由如下式中的任一个给出的共聚物：
-([M]x[M’]y[M”]z)n-
-([M]x[M’]y[M”]z)-
其中M是包括一种或多种极性基团的第一极性单体单元，M’是包括一种或多种极性基团的不同的第二极性单体单元，M”是包括一种或多种极性基团的不同的第三极性单体单元，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极性弹性体中的单体单元的数目，并且因此表示极性弹性体的聚合程度。M、M’和M”可以选自例如包括2至10个碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2个碳原子——的亚烷基、亚烯基和亚炔基，其可以取代有至少一个极性基团，比如1、2、3或4个相同或不同的极性基团，并且其可以任选地进一步取代有至少一个卤素基团，比如1、2、3或4个相同或不同的卤素基团。M、M’或M”的具体实例是HFP，以及取代有至少一种极性基团——比如卤代烷基、氰基、硝基、和其它极性基团——的其它亚烷基。在一些实施方式中，n是至少大约10、至少大约20、至少大约50、至少大约100、至少大约500、或至少1,000、并且多至大约5,000、多至大约10,000、多至大约50,000、多至大约100,000、或更多。由上面的式给出的共聚物可以是统计共聚物、无规共聚物、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。在一些实施方式中，由上面的式给出的极性弹性体可以被交联，或可以与一种或多种额外的材料——比如选自盐、离子、聚合物、无机材料、有机材料和纳米结构——结合或混合。
根据一些实施方式，极性弹性体是由如下式中的任一个给出的共聚物：
-([M]x[M’]y[M”]z)n-
-([M]x[M’]y[M”]z)-
其中M是包括一种或多种极性基团的第一极性单体单元，M’是缺少任何这样的极性基团的不同的第二单体单元，M”是缺少任何这样的极性基团的不同的第三单体单元，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极性弹性体中的单体单元的数目，并且因此表示极性弹性体的聚合程度。M可以选自例如包括2至10个碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2个碳原子——的亚烷基、亚烯基和亚炔基，其可以取代有至少一个极性基团，比如1、2、3或4个相同或不同的极性基团，并且其可以任选地进一步取代有至少一个卤素基团，比如1、2、3或4个相同或不同的卤素基团。M’和M”可以选自例如包括2至10个碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2个碳原子——的亚烷基、亚烯基和亚炔基，其任选地取代有至少一种卤素基团，比如1、2、3或4个相同或不同的卤素基团。M的具体实例是HFP，以及取代有至少一种极性基团——比如卤代烷基、氰基、硝基、和其它极性基团——的其它亚烷基，并且M’和M”的具体实例包括VDF、VF、CFE、TFE、CTFE和TrFE。在一些实施方式中，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。在一些实施方式中，n是至少大约10、至少大约20、至少大约50、至少大约100、至少大约500、或至少1,000、并且多至大约5,000、多至大约10,000、多至大约50,000、多至大约100,000、或更多。由上面的式给出的共聚物可以是统计共聚物、无规共聚物、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。在一些实施方式中，由上面的式给出的极性弹性体可以被交联，或可以与一种或多种额外的材料——比如选自盐、离子、聚合物、无机材料、有机材料和纳米结构——结合或混合。
根据一些实施方式，极性弹性体是由如下式中的任一个给出的共聚物：
-([M]x[M’]y[M”]z)n-
-([M]x[M’]y[M”]z)-
其中M是包括一种或多种极性基团的第一极性单体单元，M’是包括一种或多种极性基团的不同的第二极性单体单元，M”是缺少任何这样的极性基团的不同的第三单体单元，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极性弹性体中的单体单元的数目，并且因此表示极性弹性体的聚合程度。M和M’可以选自例如包括2至10个碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2个碳原子——的亚烷基、亚烯基和亚炔基，其可以取代有至少一个极性基团，比如1、2、3或4个相同或不同的极性基团，并且其可以任选地进一步取代有至少一个卤素基团，比如1、2、3或4个相同或不同的卤素基团。M”可以选自例如包括2至10个碳原子——比如2至8、2至6、2至4、2至3、或2个碳原子——的亚烷基、亚烯基和亚炔基，其任选地取代有至少一种卤素基团，比如1、2、3或4个相同或不同的卤素基团。M或M’的具体实例是HFP，以及取代有至少一种极性基团——比如卤代烷基、氰基、硝基、和其它极性基团——的其它亚烷基，并且M”的具体实例包括VDF、VF、CFE、TFE、CTFE和TrFE。在一些实施方式中，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。在一些实施方式中，n是至少大约10、至少大约20、至少大约50、至少大约100、至少大约500、或至少1,000、并且多至大约5,000、多至大约10,000、多至大约50,000、多至大约100,000、或更多。由上面的式给出的共聚物可以是统计共聚物、无规共聚物、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。在一些实施方式中，由上面的式给出的极性弹性体可以被交联，或可以与一种或多种额外的材料——比如选自盐、离子、聚合物、无机材料、有机材料和纳米结构——结合或混合。
极性弹性体的其它实施方式被本公开内容涵盖，比如包括基于氨基甲酸酯(carbamate)(或氨基甲酸乙酯(urethane))键(link)的主链结构比如聚氨酯主链结构、基于硅氧烷键的主链结构、聚醚主链结构、聚酯主链结构、聚酰胺主链结构、和其它类型的主链结构——其基于碳-碳键、碳-氧键、硅-氧键、碳-氮键、和杂原子-杂原子键，并且具有作为侧链结合至主链结构或包括在主链结构内的极性基团。
极性弹性体的应用
本文描述的极性弹性体可以包含在各种电子和光电子器件中以提供改进的性能。可以得益于极性弹性体的器件的实例包括晶体管、发光二极管、太阳能电池、显示器件、生物医学器件、传感器、可穿戴电子设备和可伸缩器件等。
图2(a)-(d)显示了根据本公开内容的一些实施方式的场效应晶体管(FET)200、220、240和260的多种配置的示意图。具体地，图2(a)显示了顶部-接触、底部-栅FET 200，图2(b)显示了底部-接触、底部-栅FET 220，图2(c)显示了底部-接触，顶部-栅FET 240，并且图2(d)显示了顶部-接触、顶部-栅FET 260。
参考图2(a)，顶部-接触、底部-栅FET 200包括栅电极210，施加、形成或以其它方式布置在栅电极210之上的栅介电层208，施加、形成或以其它方式布置在栅介电层208之上的半导体层206，和施加、形成或以其它方式布置在半导体层206之上的漏极202和源极204。
在图解的实施方式中，栅介电层208包括极性弹性体或由其形成，并且栅介电层208与半导体层206直接物理接触或基本上与其紧贴以通过双电层电容效应提供改进的FET性能。栅介电层208可以通过旋涂或另一种合适的涂布或沉积技术施加或形成在栅电极210之上。改进的FET性能可以在栅介电层208相对厚的情况下取得，以便于减小泄漏电流，减轻否则可以导致降解的跨越栅介电层208的材料迁移，并且致使与低成本、高通量制造工艺的相容性。栅介电层208的厚度可以是至少大约200nm、至少大约300nm、至少大约400nm、至少大约500nm、至少大约600nm、至少大约700nm、至少大约800nm、至少大约900nm、至少大约1μm、至少大约1.1μm、至少大约1.2μm、至少大约1.3μm、或至少大约1.4μm、和多至大约1.6μm或更多、多至大约1.8μm或更多、多至大约2μm或更多、多至大约2.2μm或更多、多至大约3μm或更多、多至大约4μm或更多、或多至大约5μm或更多。栅介电层的表面粗糙度，比如顶表面的平均或均方根粗糙度，可以是多至大约1.5nm、多至大约1.4nm、多至大约1.3nm、多至大约1.2nm、多至大约1.1nm、多至大约1nm、多至大约0.9nm、多至大约0.8nm、多至大约0.7nm、多至大约0.6nm、多至大约0.5nm、多至大约0.4nm、或多至大约0.35nm、并且下至大约0.3nm或更小、下至大约0.25nm或更小、或下至大约0.2nm或更小。栅介电层208可以是多层的或可以包括一种或多种其它材料的额外的层，同时保持极性弹性体与半导体层206直接物理接触或基本上与其紧贴。栅介电层208可以是线、锥形的图案结构，或具有孔的膜结构。
半导体层206可以包括有机半导体、无机半导体或前述的组合或可以由其形成。合适的有机半导体的实例包括1)半导体小分子，其包括芳香族烃比如并五苯、蒽、红荧烯、和其它多环芳香族烃；2)半导体低聚物和聚合物，比如聚(3-己基噻吩)、聚[2，5-双(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)碳纳米管；和6)前述的两种或更多种的组合。在其中半导体层206包括有机半导体的情况下，图2(a)相当于有机FET(OFET)或有机薄膜晶体管(OTFT)的配置。合适的无机半导体的实例包括14族元素比如硅和锗，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、或高阶合金。合适的无机半导体的具体实例包括氧化锌(ZnO)、铟镓锌氧化物(IGZO)、硅、和金属二硫属元素化合物(dichalcogenide)比如MoS2和MoSe2。取决于具体的应用，半导体层206可以包括纳米结构，所述纳米结构包括一种或多种前述材料——比如半导体聚合物、石墨烯、碳纳米管、MoS2、硅纳米线或其它纳米线、或纳米颗粒——或由其形成。半导体层206可以通过层压、旋涂、或另一种合适的涂布或沉积技术施加或形成在栅介电层208之上。
漏极、源极和栅电极202、204和210中的每个可以包括金属、金属合金、n型掺杂或p型掺杂的半导体、或前述的两种或更多种的组合或可以由其形成。栅电极210可以通过例如掺杂半导体衬底形成，并且漏极和源极202和204可以通过蒸发或另一种合适的涂布或沉积技术施加或形成在半导体层206之上。
在图2(a)的FET 200的操作期间，漏电压可以被施加至漏极202或施加在漏极和源极202和204之间(VD或VDS)，并且栅电压可以被施加至栅电极210(VG)，从而诱导在漏极和源极202和204之间流动通过半导体层206的电流(IDS)。
接着参考图2(b)，底部-接触、底部-栅FET 220包括栅电极230，施加、形成或以其它方式布置在栅电极230之上的栅介电层228，施加、形成或以其它方式布置在栅介电层228之上的漏极和源极224和226，和施加、形成或以其它方式布置在栅介电层228以及漏极和源极224和226之上的半导体层222。在图解的实施方式中，栅介电层228包括极性弹性体或由其形成，并且栅介电层228与半导体层222直接物理接触或基本上与其紧贴以通过双电层电容效应提供改进的FET性能。栅介电层228可以是多层的或可以包括一种或多种其它材料的额外的层，同时保持极性弹性体与半导体层222直接物理接触或基本上与其紧贴。栅介电层228可以是线、锥形的图案结构，或具有孔的膜结构。图2(b)的FET 220的多种方面可以如上面针对图2(a)说明的类似地实施，并且那些方面不再重复。
接着参考图2(c)，底部-接触、顶部-栅FET 240包括衬底252，施加、形成或以其它方式布置在衬底252之上的漏极和源极248和250，施加、形成或以其它方式布置在衬底252以及漏极和源极248和250之上的半导体层246，施加、形成或以其它方式布置在半导体层246之上的栅介电层244，和施加、形成或以其它方式布置在栅介电层244之上的栅电极242。在图解的实施方式中，栅介电层244包括极性弹性体或由其形成，并且栅介电层244与半导体层246直接物理接触或基本上与其紧贴以通过双电层电容效应提供改进的FET性能。栅介电层244可以是多层的或可以包括一种或多种其它材料的额外的层，同时保持极性弹性体与半导体层246直接物理接触或基本上与其紧贴。栅介电层244可以是线、锥形的图案结构，或具有孔的膜结构。图2(c)的FET 240的多种方面可以如上面针对图2(a)说明的类似地实施，并且那些方面不再重复。
接着参考图2(d)，顶部-接触、顶部-栅FET 260包括衬底272，施加、形成或以其它方式布置在衬底272之上的半导体层270，施加、形成或以其它方式布置在半导体层270之上的漏极和源极266和268，施加、形成或以其它方式布置在半导体层270以及漏极和源极266和268之上的栅介电层264，和施加、形成或以其它方式布置在栅介电层264之上的栅电极262。在图解的实施方式中，栅介电层264包括极性弹性体或由其形成，并且栅介电层264与半导体层270直接物理接触或基本上与其紧贴以通过双电层电容效应提供改进的FET性能。栅介电层264可以是多层的或可以包括一种或多种其它材料的额外的层，同时保持极性弹性体与半导体层270直接物理接触或基本上与其紧贴。栅介电层264可以是线、锥形的图案结构，或具有孔的膜结构。图2(d)的FET 260的多种方面可以如上面针对图2(a)说明的类似地实施，并且那些方面不再重复。
有利地，包含作为栅电介体(gate dielectric)的极性弹性体的FET，比如图2(a)-(d)中显示的FET 200、220、240和260，可以展示大量改进的性能特性。例如，当在例如大约5V(或另一个值比如2V、3V或4V)的VG的低量级或低绝对值和大约4V(或另一个值比如5V、3V或2V)的VDS的量级或绝对值下操作时，FET可以具有至少大约1×10-6A、至少大约3×10-6A、至少大约5×10-6A、至少大约8×10-6A、至少大约1×10-5A、至少大约3×10-5A、至少大约5×10-5A、至少大约8×10-5A、或至少大约1×10-4A、并且多至大约3×10-4A或更多、多至大约5×10-4A或更多、多至大约8×10-4A或更多、或多至大约1×10-3A或更多的高通-电流(以IDS的量级或绝对值表达)，其具有例如大约20的W/L比率，其中W是沟道宽度，并且L是沟道长度。在一些实施方式中，电流输出可以随W/L比率改变。
作为另一个实例，当在例如大约3V(或另一个值比如2V、4V或5V)的VG的低量级或低绝对值下操作时，FET可以具有至少大约1×10-4S m-1、至少大约3×10-4S m-1、至少大约5×10-4S m-1、至少大约8×10-4S m-1、至少大约1×10-3S m-1、至少大约3×10-3S m-1、至少大约5×10-3S m-1、至少大约8×10-3S m-1、至少大约1×10-2S m-1、或至少大约2×10-2S m-1、并且多至大约3×10-2S m-1或更多、多至大约5×10-2S m-1或更多、多至大约8×10-2S m-1或更多、或多至大约1×10-1S m-1或更多的高跨导/沟道宽度。
作为另一个实例，FET可以具有至少大约6、至少大约25、至少大约50、至少大约1×102、至少大约2×102、至少大约3×102、至少大约5×102、至少大约1×103、至少大约2×103、至少大约3×103、至少大约4×103、至少大约5×103、至少大约6×103、至少大约7×103、至少大约8×103、至少大约9×103、或至少大约1×104、并且多至大约2×104或更多、多至大约5×104或更多、或多至大约1×105或更多的线性区或饱和区中的高通/断电流比率。
作为进一步的实例，包含作为栅电介体的极性弹性体的FET可以具有快速开关速度，比如表达为达到通态(规定为80％的最大电流)的响应时间和达到断态(规定为20％的最大电流)的响应时间，其中响应时间至多大约500μs、至多大约400μs、至多大约300μs、至多大约200μs、至多大约100μs、至多大约90μs、至多大约80μs、至多大约70μs、或至多大约60μs、并且下至大约50μs或更小、下至大约45μs或更小、下至大约10μs或更小、下至大约1μs或更小、或下至大约0.1μs或更小。快速开关速度还可以表达为FET的操作频率范围，其中FET可以在至少大约1Hz、大约10Hz、大约100Hz、大约1kHz、或大约10kHz的频率下操作同时维持至少大约25、至少大约50、或至少大约1×102的通/断电流比率。
可以得益于包含极性弹性体的其它器件包括发光二极管、太阳能电池、发光晶体管、存储器件、光电晶体管、晶体管传感器、和电化学晶体管等。图3(a)和3(b)显示了根据本公开内容的一些实施方式的发光二极管300和太阳能电池302的示意图。参考图3(a)和3(b)，器件300和302中的每个包括阳极316或318，施加、形成或以其它方式布置在阳极316或318之上的空穴传输层312或314，施加、形成或以其它方式布置在空穴传输层312或314之上的有源层(active layer)308或310，和施加、形成或以其它方式布置在有源层308或310之上的阴极304或306。空穴传输层312或314可以包括半导体或可以由其形成，并且有源层308或310可以包括形成结比如p-n结的一种或多种半导体或可以由其形成。合适的半导体包括参考图2说明的那些。图3(a)和3(b)的器件300和302中的每个包含极性弹性体，比如在至少一个图解的层内或作为其一部分，以便于与包括在器件300和302中的半导体直接物理接触或基本上与其紧贴。可选地，或一起地(in conjunction)，极性弹性体可以包含在器件300和302中，作为与包括在器件300和302中的半导体直接物理接触或基本上与其紧贴的单独的层(未显示)。例如，极性弹性体可以作为阴极304或306和有源层308或310之间单独的层、作为有源层308或310和空穴传输层312或314之间单独的层、作为空穴传输层312或314和阳极316或318之间单独的层被包含，或前述的两种或更多种的组合。图3(a)和3(b)的器件300和302的多个方面可以如上面针对图2说明的类似地实施，并且那些方面不再重复。
实施例
下列实施例描述了本公开内容的一些实施方式的具体方面以向本领域普通技术人员说明和提供描述。实施例不应当解释为限制本公开内容，因为实施例仅仅提供在理解和实践本公开内容的一些实施方式中有用的特定方法。
实施例1
极性弹性体的电介质中的双层电容效应和朝向高性能、低电压、高跨导有机晶体管的应用
低的操作电压下的高增益和高跨导二者对于有机场效应晶体管(OFET)的实际应用是期望的。此实施例描述了双层电容效应在极性弹性体的电介质中的重要性，尽管非常低的离子浓度和离子电导率。观察到此效应极大地增强OFET在低电压下的跨导。具体地，当极性弹性体聚(偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物)(e-PVDF-HFP)被用作介电材料时，观察到大约10-11S/cm的低离子电导率而没有掺杂。另外，获得比对于在半结晶PVDF-HFP上制作的相同的有机半导体测量的高大约30倍的跨导/沟道宽度。与其它具有双层电容效应的高-跨导OFET相比，此实施例的电介质具有如下独特的优势：与标准制造工艺的相容性和在空气和水二者中的高稳定性。因此，得到的器件能够展现水中的史无前例的稳定操作，具有低偏压应力效应。
极性氟化的PVDF-HFP弹性体——尽管低离子浓度——诱导施加的栅压下的双电层充电。此聚合物电介质是利用大约0.3μF/cm2(或更多)的高静态电容可溶液处理的，甚至在几微米的厚度下。由此厚聚合物电介质制成的器件能够在低电压下操作，具有高达大约0.02S m-1(或更多)的跨导。此聚合物电介质与多种有机半导体的溶液处理高度相容。显著地，得到的器件在环境条件和水性条件二者中显示高电流输出和低偏压应力二者。当包含高摩尔分数的VDF单元时，观察到PVDF-HFP聚合物是半结晶的。然而，HFP单元的摩尔分数可以用于调节PVDF-HFP的机械性质(参见图8)。在此，e-PVDF-HFP——包含大约45mol.％HFP(如图9中显示通过NMR测定的)——是具有大约-20℃的玻璃化转变温度(Tg)的弹性材料(图8)。其介电常数是如在1kHz下测量的大约11——与大约8至大约13的范围一致的值。
厚聚合物介电膜(大约1.4μm至大约5μm)被用于此实施例的OFET，因为这样的厚度可以显著地减小泄漏电流并且利用大规模涂布工艺可更容易得到。膜表现出光滑表面(大约0.3nm的表面粗糙度)、低泄漏电流(对于大约1.4μm的厚度，V＝-1V下大约10-6A cm-2)和超过大约0.3MV/cm的高击穿电场(图11-14)。
为了评价使用此弹性高-k电介质的器件性能，聚(四噻吩并苯-吡咯并吡咯二酮)(PTDPPTFT4)——图4中显示化学结构——由于其高电荷迁移率最初被选择为半导体层(还参见图17和18)。器件在大约-5V的VG下展示出大约10-4A的高的通-电流，尽管使用厚介电层(大约1.4μm)。额外地，器件的亚阈值斜率(subthreshold slope)是大约120mV decade-1，其比得上对于有机薄膜晶体管(OTFT)获得的最低值。另外，阈电压(VTH)＜大约1V，其在低-电压-驱动应用中是高度期望的。更重要地，PTDPPTFT4器件在大约-3V的栅电压下展示大约0.02S m-1的高跨导/沟道宽度。通过使用聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)(P(VDF-TrFE-CFE))作为在低频率下具有多至大约60的高介电常数的介电层，可以取得在低电压下操作的OTFT。然而，包括大约160nm的薄层以在大约-3V下取得大约4×10-3S m-1的高跨导/沟道宽度。利用此实施例的器件取得的值比得上具有超薄自组装单层(SAM)电介质的最好的报道的OTFT，但是稍微低于利用凝胶电解质电介质的报道的值。然而，由于此实施例的e-PVDF-HFP电介质聚合物不包含进一步添加的离子，其与标准器件制作工艺高度相容并且产生在环境条件中和甚至在水下表现稳定操作的器件，如下面更详细地描述的。还考虑的是，离子可以被进一步添加以调节器件性能同时维持加工相容性和器件稳定性。
即使低电压下的高跨导对于实际应用是特别期望的，电荷载流子迁移率通常用于表征半导体的电荷传输能力。从来自饱和区和线性区的标准金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)模型计算电荷载流子迁移率，并且其取决于用于计算的电容值。大多数非离子电介质展示相对恒定的电容，而不管测量频率。e-PVDF-HFP的电容还被发现在大约20至大约100kHz保持几乎不变，但是其在频率降低至大约大约1Hz以下时迅速地增加(参见图13)。因此，使用在≥20Hz下测量的电容值的迁移率计算的典型过程将导致迁移率的过高估计。此问题通过测量具有不同厚度的e-PVDF-HFP的晶体管被进一步确认。即使在大约20Hz下测量的电容与电介质厚度成比例，如典型的电容器所期望的(图11)，晶体管输出电流也不显示与电介质厚度的期望的比例。此结果指示器件中的这样的高跨导的起源很可能不同于使用其它基于PVDF的电介质——其主要地利用它们的高极化性(polarizibility)——的那些。额外的测量由准静态极限中的电容完成。事实上，接近准静态极限的低频率处观察到电容值的激增。另外，电容作为介电层的厚度的函数显示小的改变(图11a)，这指示双层充电效应存在于系统中。高电容还解释了在低操作电压下获得的高跨导。
为了进一步确认准静态极限中的电容值，测量由基于e-PVDF-HFP电容器和外部电阻的RC电路的时间常量完成(图15)。有趣地，没有观察到电容的电压依赖性。此结果确认了大约0.1Hz的低频率下的高电容，其允许从OTFT测量明确地测定电容(图11)和相应的迁移率(图5b)。考虑到没有进一步添加离子，对于e-PVDF-HFP，双层充电效应和低频率下的高电容是令人惊讶的。比较而言，凝胶电解质电介质可以主要地由固定化在聚合物基体内部的离子液体种类组成，并且可以具有大约10-2-10-5S/cm的高离子电导率。对于此实施例的e-PVDF-HFP，测量的离子电导率低许多数量级，在大约8×10-11S/cm的范围中(参见图14)。相比之下，当半结晶PVDF-HFP(按摩尔分数计大约90％的VDF，称为c-PVDF-HFP)被用作介电层时，如具有大约0.55μm至大约2.15μm的增加的c-PVDF-HFP厚度的常规电介质所预期的，输出电流减小(图11b)。通过RC电路的充电/放电的准静态电容也产生与在高频率下测量的类似的电容值(＞20Hz)。
上面的结果指示此实施例的e-PVDF-HFP中不寻常的双层充电效应与其低Tg(大约-20℃)相关。弹性聚合物由于高摆动是用于离子导体的期望的基体，所述高摆动促进局部配位几何结构的重新取向用于盐的有效溶剂化。另外，e-PVDF-HFP中高浓度的极性基团是期望的以使盐溶剂化以形成聚合物-盐复合体，其中盐可以源自在固化或其它加工中包含的交联试剂或杂质(通常化合物等)(参见图10)。在c-PVDF-HFP的情况下，没有识别到有助于充电过程的离子的清楚的证据，这是由于高熔化温度(大约142℃的Tm)结晶电介质中抑制的摆动。聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)是弹性电介质的实例。然而，它由于其低极性不展示双电层充电的特征(图11c和图16)。因此，e-PVDF-HFP是不寻常的电介质，其展示离子电介质的双层充电效应而不进一步添加离子，同时还维持非离子电介质的加工特性和稳定性。
e-PVDF-HFP电介体-栅控(dielectric-gated)OTFT中氟化极性弹性体和非常低的离子浓度的组合通过双电层充电诱导了高电荷载流子密度。另外，评价的晶体管显示大约0.5V的迟滞，以及与正向扫描相比更高的后向扫描电流(图5c)。器件的性能取决于操作温度，其中通过从室温冷却器件至200K跨导急剧下降(图5d)。此下降可以主要地归因于聚合物电介质的离子迁移率，其直接地关联于摆动并且强烈地取决于操作温度(还参见图20)。
几种另外的溶液处理的半导体在厚的e-PVDF-HFP介电层上测试。如图6中所示，具有聚(3-己基噻吩)(P3HT)、CVD-生长的石墨烯、和苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的晶体管也展示出高跨导。这些器件在小于大约5V的低栅电压下生成大电流输出。这些器件的跨导/沟道宽度被测量为比具有SiO2或其它报道的聚合物电介质的对应的材料的值高三至十倍。有趣地，与使用SiO2或聚合物栅电介体的石墨烯器件相比，在e-PVDF-HFP上形成的石墨烯器件显示出移位至大约1V的狄拉克点。这可以指示e-PVDF-HFP介电表面可以基本上没有缺陷。下面的表1提供了使用e-PVDF-HFP介电层(大约1.4μm的厚度)在饱和区中测量的OFET电性能特性的概述。使用大约300nF cm-2的准静态电容计算迁移率值。PII2T是基于异靛的缀合聚合物。
表1
*括号中的迁移率由20Hz下的LCR计测量的电容(大约8.4nF cm-2)开方。
缓慢响应时间是离子电介体-栅控FET的潜在问题。对于实际应用，比如射频识别(RFID)和有机发光二极管(OLED)，开关速度是重要的器件参数。凝胶电解质电介体-栅控器件的开关速度通常在1至100Hz的范围内。为了评价e-PVDF-HFP-栅控OFET的开关性状，施加短栅电压脉冲用于器件操作。e-PVDF-HFP/PTDPPTFT4晶体管展示大约44μs的接通应答(图6e-f)。切断开关频率(fc)——表征晶体管的最大操作频率——通过测量作为频率的函数的IDS和IG被测定为大约11kHz，其中fc被规定为其中AC调制的IDS等于寄生的栅流(IG)时的频率。有趣地，fc值(大约11kHz)比得上或甚至高于许多具有非常高的离子浓度的凝胶电解质器件，尽管e-PVDF-HFP中超低的离子浓度。在较高的频率下观察到的IDS的下降(图6e)可以归因于增加的频率的情况下减小的电容。此外，增加的IG可以主要地归因于寄生的电流，其来自漏极/源极和栅电极之间的大的重叠。此实施例的器件的切断频率主要地受长的沟道长度(L＝大约50μm)和漏极/源极和栅电极之间的大的重叠约束，其导致大的寄生的栅流。因此器件的开关速度可以通过减少漏极/源极和栅电极的重叠和进一步修饰栅电介体而被进一步改进。
OFET的另一个潜在问题是随着时间的偏压应力和器件稳定性。典型的基于双层充电电容器的晶体管对湿度高度敏感。额外地，在电介质中存在的大量离子可以扩散入半导体层并且导致氧化还原反应和材料降解。出于此目的，在环境条件下采用不同栅电压下大约10分钟的偏压周期详细地分析e-PVDF-HFP-PTDPPTFT4器件(图7a)。FET中持续数小时的其它偏压应力分析通常报告至少几个伏特的阈电压移位，甚至在氟化电介质的情况下。低-电压晶体管关于阈电压移位通常是最稳定的而且在大约27h的偏压后显示大约一伏特的移位。在获得基于ePVDF-HFP的器件中的长期应力效应的信息的目的的情况下，施加VD＝VG＝大约-0.5V的偏压，并且在持续大约30分钟的每个偏压步骤前和紧接着每个偏压步骤后测量转移特性。此测量连续地重复超过120h，其中器件展示高度稳定的通电流(ID)和泄漏电流(IG)(图7b)。有趣地，阈电压(VTH)显示小于大约±25mV的小变化，并且重要地，甚至在120h后没有观察到漂移。为了评价水介质下的器件稳定性，小的中空PDMS室被安装在原始器件的顶部上，并且利用注射泵连续地泵送去离子(DI)水超过90h，产生极小的偏压应力、稳定的ID和轻微减小的泄漏电流。利用在环境条件下储存多于三个月的器件，以及浸入DI水中超过24h的器件，测试ePVDF-HFP电介质的稳定性，二者均显示电容值的可以忽略的变化。因而，此实施例展现了在连续偏压下驱动的OTFT，其中活性材料直接地暴露于水并且展示VTH和电流输出的小变化。直接暴露于空气和水二者的情况下的史无前例的器件稳定性与e-PVDF-HFP电介质的高的环境和水稳定性，以及作为活性材料的PTDPPTFT4的高稳定性直接相关。这些结果指示e-PVDF-HFP提供双层充电电介质的优势，即低-电压操作和高跨导，同时维持史无前例的器件稳定性和低泄漏电流。这致使e-PVDF-HFP对规定高电流输出的应用和传感器应用尤其有吸引力。
下面的表2提供了在具有不同的半导体和电介质的晶体管中的偏压应力上的结果：阈电压移位ΔVTH；被栅偏压归一化的阈电压移位ΔVTH/VG；给定VD和VG下器件的通-电流ID；累积的偏压时间(偏压-时间)；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
*迁移率的降级：在24小时偏压应力期间，迁移率从大约0.6cm2/V s降低至大约0.4cm2/V s，即大约1.4％/小时。
**对于在空气和DI-水中测量，迁移率的降级分别以大约0.22％/小时和大约0.25％/小时下降。
通过总结，此实施例已经证明极性弹性电介质e-PVDF-HFP显著地增强OTFT在低操作电压下的跨导，尽管采用的介电层的厚度大于一微米。高OTFT性能与介电层中双电层的形成——低离子浓度下聚合物电介质中的不寻常现象——相关联。结果表明，甚至在极端低的离子电导率(大约8×10-11S/cm)下——比其它聚合物电解质或离子液体/凝胶低几个数量级的值，存在双电层充电对OTFT转移特性的显著影响。此外，结果证明了验证准静态极限中的电容以便正确地表征电荷载流子迁移率的重要性。弹性氟化聚合物的高极化和低Tg的组合导致双层电容效应，其导致在器件中观察到的高跨导。重要地，此电介质通常可以超越有机半导体适用于各种半导体。由于其低成本、与标准制造工艺的相容性、低驱动电压和在空气和水介质中的高稳定性，极性弹性聚合物电介质可以发现在多种应用比如生物医学器件、传感器、可穿戴电子设备和可伸缩器件中的价值。
方法：
有机半导体P3HT(来自Sigma-Aldrich)、PTDPPTFT4(由Corning Co.提供)和PCBM(来自Sigma-Aldrich)被直接使用而不需要进一步纯化。根据Mei等，“Siloxane-Terminated Solubilizing Side Chains：Bringing Conjugated Polymer BackbonesCloser and Boosting Hole Mobilities in Thin-Film Transistors，”J.Am.Chem.Soc.，2011，133(50)，pp.20130-20133的先前报道的过程合成PII2T。e-PVDF-HFP从3M Co.(3MTMDyneonTM Fluoroelastomer FE)购买。在惰性气氛下(在氮手套箱中)，通过搅拌过夜将大约1.2g溶解于大约10mL无水2-丁酮中。获得的溶液通过0.2mm聚四氟乙烯(PTFE)过滤器过滤并且以大约1，500rpm旋涂在高度掺杂的n-型Si(100)(＜大约0.004Ω.cm)晶片上持续大约1min。旋涂的膜然后在大约80℃下干燥大约10min并且随后在大约180℃下交联大约6小时。通过使用UV-臭氧清洁被用作衬底的Si晶片持续大约20min。
半导体聚合物和PCBM以大约1,000rpm旋涂在分别来自氯苯(P3HT，大约5mg/ml)、二氯苯(PII2T，大约5mg/ml)、氯苯(PTDPPTFT4，大约5mg/ml)和氯仿(PCBM，大约10mg/ml)的氟化弹性体的顶部上持续大约1min。这些材料然后在惰性气氛下在大约120℃下退火大约1h以移除任何残留溶剂。使用化学气相沉积使单层石墨烯膜在铜(Cu)箔上生长。随后，CVD-生长的石墨烯片被转移至e-PVDF-HFP/Si衬底上用于器件制作。金(Au)源极-漏极触点然后通过半导体薄膜的顶部上的荫罩蒸发(顶部接触)。
利用交叉极化的光学显微镜(Leica DM4000M)记录光学显微照片。利用Dektak150轮廓曲线仪(Veeco Metrology Group)进行厚度测量。使用Multimode Nanoscope III(Digital Instruments/Veeco Metrology Group)进行敲击模式(tapping mode)原子力显微术。在TA Instruments Q2000上实现差示扫描量热法。在Stanford SynchrotronRadiation Lightsource(SSRL)处，在具有大约12.7keV的光子能的光束线11-3上进行掠入射X射线衍射(GIXD)实验(参见图19)。二维(2D)图像板(MAR345)被用于监测衍射的X射线。检测器距样品中心大约400mm。入射角保持大约0.08度，轻微地低于对应于总反射比的临界角以减少来自有源层之下的无定形的电介质的散射背景。在大约0.12的入射角处，有源层的衍射峰被背景散射遮蔽，而在低于大约0.08度的入射角处，来自有源层的信号变得更弱。暴露时间是大约6min。使用wxDiff软件分析GIXD数据。
在金属-绝缘体-金属(MIM)和金属-绝缘体-半导体(MIS)结构中执行电容-电压特性。在MIM结构中，重掺杂的Si(＜大约0.004Ω.cm)和铝(Al)(大约100nm)被分别用作底部和顶部电极，并且大约1.4μm-厚的PVDF-HFP被用作绝缘层。电极区域在大约0.02至大约0.12cm2的范围中。在MIS结构中，半导体层使用上述器件制作条件沉积在e-PVDF-HFP/掺杂的Si衬底上。Au(大约40nm)被沉积在半导体层上作为顶部电极。利用Agilent E4980APrecision LCR和Bio-Logic VMP3电化学工作站测量电介质的电容。通过添加外部电阻，施加Keithley型号2400作为电压源和Keithley型号2635A作为电压计，实施基于RC电路的充电/放电的准静态电容测量。
通过使用Keithley 4200半导体参数分析仪(Keithley Instruments，Cleveland，OH)在填充氮的手套箱或在空气中记录OTFT传递和输出特性(参见图12)。
虽然已经参考其具体的实施方式描述了本公开内容，但是本领域技术人员应当理解可以做出多种改变和替换等价物，而不背离如所述权利要求所限定的本公开内容的真实精神和范围。此外，可以做出许多修改以使具体的情况、材料、物质组合物、方法或一种或多种操作适应本公开内容的目标、精神和范围。所有这样的修改意欲在所附权利要求的范围内。具体而言，虽然可能已经参考以特定顺序执行的特定操作描述了某些方法，但是将理解这些操作可以组合、细分或重新排序以形成等价的方法，而不背离本公开内容的教导。因此，除非本文具体地指示，操作的顺序和分组不是本公开内容的限制。

Claims (21)

1.电子或光电子器件，其包括：
半导体层；
电极对，其电连接至所述半导体层；和
介电层，其与所述半导体层接触并且包括极性弹性体，所述极性弹性体是无定形的，
其中所述弹性体具有不大于25℃的玻璃化转变温度Tg。
2.权利要求1所述的器件，其中Tg不大于0℃。
3.权利要求1所述的器件，其中所述弹性体包括极性单体单元，所述极性单体单元每个包括具有至少0.5德拜的电偶极矩的至少一个极性基团。
4.权利要求3所述的器件，其中所述电偶极矩是至少2德拜。
5.权利要求3所述的器件，其中所述极性基团作为侧链结合至所述弹性体的主链结构。
6.权利要求5所述的器件，其中所述极性基团包括2个或更多个原子。
7.权利要求5所述的器件，其中所述极性基团选自取代有至少一个卤素基团的烷基。
8.权利要求3所述的器件，其中相对于包括在所述弹性体中的所有单体单元，所述极性单体单元的摩尔含量是大于20％。
9.权利要求8所述的器件，其中所述极性单体单元的摩尔含量是至少40％。
10.权利要求1所述的器件，其中在不存在施加的电场下，所述弹性体的电极化不大于1mC/m2。
11.权利要求1所述的器件，其中所述器件是晶体管，所述电极对相当于漏极和源极，并且进一步包括：
栅电极，其中所述介电层被布置在所述栅电极和所述半导体层之间。
12.电子或光电子器件，其包括：
半导体层；
电极对，其电连接至所述半导体层；和
介电层，其与所述半导体层接触并且包括极性弹性体，
其中所述弹性体包括离子并且具有不大于1×10-6S/cm的离子电导率。
13.权利要求12所述的器件，其中所述离子电导率是至少1×10-12S/cm且至多1×10-7S/cm。
14.权利要求12所述的器件，其中包括在所述弹性体中的所述离子的重量百分比不大于按重量计5％。
15.权利要求12所述的器件，其中所述离子包括有机阳离子。
16.权利要求12所述的器件，其中所述离子包括阳离子。
17.权利要求12所述的器件，其中所述器件是晶体管，所述电极对相当于漏极和源极，并且进一步包括：
栅电极，其中所述介电层被布置在所述栅电极和所述半导体层之间。
18.权利要求17所述的器件，其中所述介电层的厚度是至少500nm。
19.权利要求12所述的器件，其中所述弹性体具有不大于25℃的玻璃化转变温度Tg。
20.晶体管，其包括：
半导体层；
漏极，其电连接至所述半导体层；
源极，其电连接至所述半导体层；
栅电极；和
栅介电层，
其中所述栅介电层被布置在所述栅电极和所述半导体层之间，并且所述栅介电层包括极性弹性体，所述极性弹性体具有不大于25℃的玻璃化转变温度Tg，并且具有至少1×10- 12S/cm且至多1×10-6S/cm的离子电导率。
21.权利要求20所述的晶体管，其中所述栅介电层与所述半导体层接触，并且所述栅介电层的厚度是至少500nm。
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