【CPP114】訊：印刷電子產品在柔性、耐磨性和大尺寸器件方面具有巨大的潛力。這些產品中最基本的材料平臺需要導電、半導體和介電元件。盡管其他幾類材料相比，介電材料還沒有得到廣泛的研究，但已經在許多全印刷器件的功能中起著關鍵的作用。例如，作為無源元件，電容結構是大多數印刷電子系統所必需的，構成了各種電路的基礎，包括諧振器、濾波器、存儲器元件和電容應變/接觸傳感器。除了可印刷性外，這些應用要求介電材料在器件的使用壽命內能提供并能保持穩定的電性能和機械完整性。

  聚氨酯（PU）是一類高拉伸強度、耐劃傷、耐腐蝕、耐溶劑的聚合物，廣泛應用于圖案化、功能印刷和涂料等行業。這些特性使得PU和相關的介電復合材料在電子學方面很有吸引力，但PU只具有中等的ε r （≈3–4）。二維六角氮化硼（h-BN）由于其寬帶隙（≈6ev），常被用作石墨烯和其它二維材料的介電屏蔽層。使用h-BN的溶液相剝離物及將其與功能性油墨的結合已被應用于可印刷電子產品，然而迄今為止，這些方法只提供了低/中等介電性能，ε r 通常小于2–3，最大報告值約為6。此外，由這些剝離的h-BN分散物制備的薄膜在溶劑蒸發后會形成多孔結構，由于環境擾動，這可能會進一步損害已經很低的擊穿電壓和電介質的機械完整性。

  在此，英國劍橋大學Tawfique Hasan博士課題組證明， 在合成的PU+h-BN薄膜中加入0.7vol%剝落的h-BN，其介電性能（εr≈7.57）在100到10×106 Hz的頻率范圍內增加了兩倍。 研究者采用“一鍋法”工藝，在2-丁氧乙醇（2-BE）溶劑中剝離并穩定h-BN薄片到多元醇中（PU前體）。經過穩定分散的涂布和室溫交聯后，柔性10μm薄膜顯示出高的光學透明性（550 nm時約為78.0%），在5×5 cm 2 的區域內的透射率變化僅約為0.65%。

  透明薄膜的介電性能也很均勻，64個電容器中的ε r 變化小于8%。這種提高常用可印刷聚合物介電常數的同時保持高光學透明度的方法，可能在大面積、全印刷透明和柔性電容結構（如低通濾波器和觸摸傳感器）等方面極具吸引力。相關研究以“Hexagonal Boron Nitride–Enhanced Optically Transparent Polymer Dielectric Inks for Printable Electronics”為題發表在 Advanced Functional Materials 上。

  1、薄膜制備

  圖1：a）h-BN的UALPE和油墨配方的 “一鍋法”加工示意圖。b）2-BE溶劑、PU（前體）、PU（前體）+2-BE和PU（前體）+2-BE+h-BN的流變學測試。c）油墨中剝離的h-BN的光學吸收光譜。插圖：比色皿中稀釋后的樣品測試。d）含和不含h-BN的PU前體的TGA。剝離的h-BN薄片的e）橫向尺寸和f）厚度的AFM統計。g）塊狀h-BN、普通PU前驅體和PU前驅體+h-BN油墨的拉曼光譜。激發波長為514.5nm。

  研究者通過超聲波輔助液相剝離（UALPE），在浴式超聲波儀中利用聚氨酯前體和2-BE混合物對大塊h-BN晶體（開始橫向尺寸約為1μm）進行12小時的剝離，所得分散液以4000轉/分的速度離心30分鐘，以沉積更大的未剝離晶體，提取穩定的富含少層h-BN薄片的上清液（前75%）。這是一種直接用粘合劑前驅體剝離2D h-BN薄片的簡單而有效的方法。