發(fā)布時間：2020-08-07 19:26

【摘要】：隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨和信息的飛速增長,超大容量的信息傳輸、超快的處理速度和超高密度的存儲能力已成為信息技術追求的目標。目前,基于“0”和“1”兩種信號的二進制存儲技術,其理論極限存儲容量已難以滿足信息存儲的超高密度需求,因此突破傳統(tǒng)的二進制存儲,設計合成具有多個信號響應(如“0”、“1”、“2”)的多進制存儲材料顯得尤為重要。2010年,我們課題組首次報道了基于有機小分子材料的三進制存儲器件,并提出了“電荷陷阱”機理,為有機超高密度存儲器件的制備開辟了思路。目前報道的有機多進制存儲材料大多是基于給體和受體共軛結構的D-A型材料,相關研究在很大程度上依舊停留在新型存儲材料的開發(fā)和報道,對于D-A結構的合理設計(如共軛面特征變化)、薄膜的取向排列及存儲器件性能三者之間的相互關系尚未形成有效的指導規(guī)律。然而,對于D-A型共軛結構而言,合理地調節(jié)其共軛面特征尤為重要,共軛面特征的變化能夠在很大程度上調節(jié)分子在固態(tài)活性層中的排列方式,從而最終影響器件的性能。因此有關分子結構-薄膜排列-器件性能三者之間內在聯(lián)系的深入探索,對今后制備高性能的有機多進制存儲材料具有重要的意義。本論文在目前有機多進制存儲的研究基礎上,設計合成了系列D-A型共軛有機分子結構,并著重探討了有機分子共軛面的特征變化,如平面性調控、共軛鏈長度調節(jié)和分子對稱性設計等對薄膜的結晶取向排列和器件多進制存儲性能的影響,研究主要從以下六個方面展開:(1)研究分子平面性對調節(jié)多進制存儲器件性能的影響:對于在垂直方向上具有頂、底電極的有機電存儲器件而言,實現(xiàn)功能薄膜層內分子的有序堆積是提升器件電學性能和穩(wěn)定性能的關鍵,然而究竟怎樣的分子結構在成膜時呈現(xiàn)有序堆積趨勢,并且堆積方式符合器件結構特征,目前還沒有可借鑒的成熟理論和經驗指導。本章設計了A1-D-A2-D-A1的對稱性共軛分子結構,并且提出通過改變給受基團間連接基團的位阻來調節(jié)分子整體平面性的策略,考察分子整體平面性的提升對器件存儲性能和穩(wěn)定性的影響。結果表明,共軛鏈中的苯環(huán)被呋喃基團替換后,實現(xiàn)了分子骨架平面性的顯著提升,而且很好地控制了分子在薄膜中的結晶取向:平面性較差的分子在薄膜中呈現(xiàn)出不規(guī)則的微晶取向,而平面性較好的分子則表現(xiàn)出垂直于基底的高度有序的定向結晶排列,這種高度統(tǒng)一的結晶取向保證了有機薄膜的均一性,從而使得存儲器件三進制性能的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性得以明顯提高。因此,通過調控給受基團間位阻效應實現(xiàn)共軛分子整體平面性的增強,有利于分子在薄膜中的高度有序排列并提升器件的電學性能和穩(wěn)定性。(2)研究分子共軛鏈長度對調節(jié)多進制存儲器件性能的影響:有機電存儲器件真正走向實際應用不僅需要新型器件的制備,更需要具備較低的能耗和較好的性能重現(xiàn)性。然而如何通過調節(jié)分子結構實現(xiàn)這些性能參數(shù)的提升,目前尚未形成有效的策略指導。在本章中我們發(fā)現(xiàn)通過在共軛D-A分子結構中引入噻吩作為連接基團可以有效地改善器件的能耗和穩(wěn)定性。理論計算表明噻吩的引入可以有效增加D-A分子的共軛骨架長度,從而促進分子在薄膜中發(fā)生高度有序的結晶取向排列。這一有序的分子結晶取向使得存儲器件的三進制性能具備低能耗和高重現(xiàn)性的優(yōu)點。而且,我們通過拓展目前的電荷陷阱機理對器件的存儲行為和性能差異進行了深入的探討,為優(yōu)化有機多進制存儲器件的性能參數(shù)提供了有效的調控策略和機理指導。(3)研究分子對稱性對調節(jié)多進制存儲器件性能的影響:在有機電存儲器件的研究中,如何有效建立分子結構、薄膜排列和器件存儲性能之間的相互聯(lián)系一直是一個難題,這在很大程度上制約了存儲器件的發(fā)展。在本章中我們發(fā)現(xiàn),通過分子對稱性的改變可以實現(xiàn)分子在薄膜中由無序到有序排列的轉變,更為重要的是,我們通過系列表征清晰探測到分子間具體的排列方式,從而為建立分子結構-微觀排列-器件性能三者之間的內在聯(lián)系提供了條件。結果表明,不對稱分子在薄膜中呈現(xiàn)無序的結晶取向排列,而對稱分子在薄膜中呈現(xiàn)高度有序的單晶態(tài)層狀排列,有利于提升存儲器件三進制性能的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。這一分子結構-微觀排列-器件性能三者之間相互關系的建立將為制備優(yōu)異的有機存儲器件提供理論指導。(4)研究光電聯(lián)合響應對調節(jié)多進制存儲器件性能的影響:目前,將多個物理功能(如光、電和磁)集成到單個存儲器件當中已被視為一種提升數(shù)據(jù)存儲密度的有效方案。然而,最近的研究大多局限于單一的電信號刺激響應,在單個存儲器件內實現(xiàn)多功能集成仍然是一個挑戰(zhàn)。在本章中,我們提出了一種通過光電聯(lián)合響應調節(jié)器件多進制存儲性能的策略。研究發(fā)現(xiàn),通過利用有機光電材料作為存儲介質,能夠促進器件在光電協(xié)同作用下表現(xiàn)出顯著提升的存儲性能,器件的開啟電壓降低,開關電流比提高,這為今后制備多功能響應的光電數(shù)據(jù)存儲器件提供了有利的借鑒。(5)基于大共軛有機氮雜多并苯材料的多進制存儲器件的制備和性能研究:總結上述四章的研究可以看出,D-A型分子結構的高度共軛對于提高分子平面性和促進電荷在分子共軛骨架中的遷移是非常有利的,然而如何制備這種高度共軛的有機材料并且用于實現(xiàn)優(yōu)異的多進制存儲依舊存在挑戰(zhàn)。鑒于此,在本章中我們設計合成了一種具有高度共軛結構和大共軛平面的有機氮雜十環(huán)多并苯材料,并且探討了這一材料在多進制存儲領域的潛在應用。有機氮雜多并苯材料因其特殊的光電性質已經在有機半導體器件中引起了廣泛關注,但是在有機多進制存儲領域中的應用還幾乎未見報道。本章成功合成了一種新型的基于嵌二萘基團的D-A型有機氮雜十并苯材料,研究表明這一材料表現(xiàn)出非常優(yōu)異的三進制存儲性能,三進制產率達到78%,穩(wěn)定工作時間超過10~4秒。據(jù)我們所知,這是第一個有關大共軛十環(huán)氮雜多并苯三進制存儲材料的報道,為后續(xù)設計更大的有機氮雜多并苯材料用于多進制存儲提供了有力指導。(6)研究有機氮雜多并苯材料中受體基團的數(shù)量和強度對器件存儲進制和類型的影響:基于前一章的研究,在本章中我們進一步探討有機氮雜多并苯材料中受體基團的數(shù)量和強度對器件存儲性能的影響。我們設計合成了一種新型的基于噻二唑喹喔啉的D-A型有機氮雜多并苯材料,包含兩種不同的受體基團;同時,我們設計合成另外兩個具有相似結構的D-A有機氮雜多并苯材料作為對比,分別僅包含一種受體基團。結果表明,包含兩種不同受體基團的有機氮雜多并苯材料表現(xiàn)出三進制非易失性WORM型存儲性能,而僅包含一種受體基團的氮雜多并苯材料呈現(xiàn)出二進制FLASH存儲行為。這一研究表明通過合理地調節(jié)D-A型有機氮雜多并苯材料中受體基團的數(shù)量和強度,能夠實現(xiàn)器件存儲進制和類型的有效調控,為今后存儲材料的制備打開了新的設計思路。
【學位授予單位】：蘇州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34
【圖文】：

圖 1-3 “三明治”結構存儲器件示意圖：掩膜型（左）和交叉型（右）43 有機電存儲材料的種類有機電存儲器件通常采用圖 1-3 所示的“三明治”結構，即在上下電極之間有機材料作為活性層，這種制備方法簡單方便，對于降低成本和制備大面積有重要意義。存儲器件的下電極一般采用氧化錫銦（ITO，indium-tin oxide材料，上電極一般采用金屬電極，如金、銅、鋁等。而有機活性層的選擇非目前報道的有機電存儲材料主要包括聚合物材料、有機共軛小分子材料、共有機-無機摻雜材料等。其中，有機聚合物和小分子材料由于結構可控、易合備柔性器件等優(yōu)點，逐漸成為有機電存儲研究的熱點。按照存儲活性層的結構有機電存儲材料主要可分為以下幾類：1 共軛聚合物存儲材料

圖 1-3 “三明治”結構存儲器件示意圖：掩膜型（左）和交叉型（右）43有機電存儲材料的種類有機電存儲器件通常采用圖 1-3 所示的“三明治”結構，即在上下電極之間有機材料作為活性層，這種制備方法簡單方便，對于降低成本和制備大面積有重要意義。存儲器件的下電極一般采用氧化錫銦（ITO，indium-tin oxid材料，上電極一般采用金屬電極，如金、銅、鋁等。而有機活性層的選擇非目前報道的有機電存儲材料主要包括聚合物材料、有機共軛小分子材料、共有機-無機摻雜材料等。其中，有機聚合物和小分子材料由于結構可控、易合備柔性器件等優(yōu)點，逐漸成為有機電存儲研究的熱點。按照存儲活性層的結構有機電存儲材料主要可分為以下幾類： 共軛聚合物存儲材料

機分子共軛面特征變化對多進制存儲性能調控研究 第機共軛聚合物材料是一類基于聚合物合成而且具有傳輸載流子性質的類材料通常以聚合物為基礎，如聚吡咯，聚乙炔，聚（3-己基噻吩）（P亞苯基亞乙烯基）（PPV）等。有機共軛聚合物材料因為其潛在的科學應用前景引起了科學工作者的廣泛關注，同時也吸引了存儲領域研究者被廣泛的應用到電存儲器件當中43, 46, 57-67，如圖 1-4 所示。09 年，韓國浦項大學的 Ree 課題組以酰亞胺為受體基團，通過和三苯行縮聚，制備了具有 D-A 結構的共軛聚合物 P1（圖 1-4）51。通過/Al 三明治結構的存儲器件，他們觀察到聚合物材料表現(xiàn)出永久記憶（行為，器件 ON/OFF 電流比達到 106，且具備較低的開啟電壓。此外， 的溫度下依舊保持著 WORM 型存儲行為，呈現(xiàn)良好的熱穩(wěn)定性。

【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

1 姚奕帆;江浪;董煥麗;胡文平;;有機半導體薄膜的有序化及其器件應用[J];科學通報;2013年18期

2 劉舉慶;陳淑芬;陳琳;解令海;錢妍;凌啟淡;黃維;;有機/聚合物電存儲器及其作用機制[J];科學通報;2009年22期

3 溫永強;宋延林;高鴻鈞;;自組裝有機分子薄膜的可逆超高密度信息存儲[J];物理;2006年12期

4 肖愷,于貴,劉云圻,朱道本;有機場效應晶體管研究和應用進展[J];科學通報;2002年12期

本文編號：2784419