柔性可拉伸电子器件在精准医疗、电子皮肤及人机交互领域具有广泛应用前景。近年来，随着柔性电子材料图案化技术的快速发展，可拉伸电子器件集成密度不断提高，器件尺寸持续缩小。然而，器件尺寸的单纯缩减往往会引发电学性能下降（例如平行板电容器电荷存储能力下降、晶体管电流驱动能力减弱）。在硅基集成电路中，器件尺寸缩减通常伴随栅氧化层厚度同步减薄，以维持单位面积电容、降低器件工作电压并提升工作频率。相比之下，常见弹性介电材料由于本征自由体积较大，其击穿强度较无机材料通常低近1个数量级，导致厚度减薄与电学可靠性难以兼顾，限制了可拉伸电子器件微型化与高性能的同步实现。
针对这一问题，北京大学集成电路学院郑雨晴团队提出了一种构建超薄且具有高击穿强度的弹性介电材料的普适性策略，命名为CATCH。该策略通过多臂交联剂对常见弹性介电材料进行交联，构建具有更小自由体积的交联网络，从而有效抑制碰撞电离和介电击穿。同时，多臂交联剂中未完全反应的官能团可形成深能级化学缺陷，用于捕获漏电载流子，进一步增强材料击穿强度。经该策略改性的丁腈橡胶在84 nm厚度下实现了589 kV mm-1的击穿强度，达到弹性介电材料击穿强度领先水平。基于该材料，团队成功构筑单位面积电容高达200 nF cm-2的可拉伸电容器，并将可拉伸有机场效应晶体管的操作电压降低近1个数量级，为该器件在体安全工作奠定了基础。进一步利用超薄弹性介电材料的高面电容，实现1T1C电荷存储阵列中电容像素尺寸缩小2个数量级以上。
用于微型化可拉伸电子的超薄高鲁棒性弹性电介质
信号与能量的高频无线传输是微型化可拉伸电子的重要发展方向之一。然而，受限于较低的器件跨导，可拉伸晶体管的工作频率长期难以提升。基于系统传递函数的仿真结果表明，提高跨导可有效提升晶体管工作频率，而跨导值又与介电层电容正相关。基于这一认识，团队利用超薄弹性介电材料构筑可拉伸整流二极管，在 6.78 MHz，±10 V 的正弦输入下，系统仍可输出约 0.31 V 的电压，且在100%拉伸下输出基本保持稳定。在此基础上，进一步集成无线接收线圈、可拉伸整流器等功能单元，构建了微型可拉伸无线电刺激系统，并在小鼠腿部实现踢动、抬腿等可控运动，验证了该高频可拉伸电路在体内无线刺激场景中的应用潜力。
微型化可拉伸电子及其无线电刺激应用
相关成果以“Ultrathin and robust elastomeric dielectrics using a crosslinking- assisted trap creation method for miniaturized stretchable electronics”为题，发表在《自然-电子》（Nature Electronics）上。北京大学集成电路学院2022级博士生钟泽宇为论文第一作者，北京大学郑雨晴助理教授为通讯作者，论文合作者还包括北京大学化学与分子工程学院姚泽凡副研究员和上海交通大学电气工程学院王亚林教授。
该研究工作得到科技创新2030重大项目、国家自然科学基金及中央高校基本科研业务费的资助。
