高性能聚噻吩电存储材料的制备及性能研究

Polymeric memory materials possess different conductivity states at a certain applied voltage, which can fulfill ultra-high density and ultra-huge capacity of data storage, thus they are promising candidates for application in high-speed computing field. Polythiophene and its derivatives can be easily polarized by dopping process to tune carrier concentration or charge-transfer rate, which enable theses materials promising applications in polymeric electrical memory field. To improve the memory performance of polythiophenes, this project is aimed to design and prepare polythiophenes bearing alkyl esters and diethanolamino side chains, and poly[N-alkyl ether diketopyrrolopyrrole-co-thiophene] copolymer. Memory devices based on these materials with the OFET configuration will be fabricated by simple spin-coating method. The electrical response of the devices and the relationship between the surface morphology/film thickness and the memory performance will be investigated by HRSEM, AFM and GIXD method. The polarization process of polythiophene under bias will be explored by spatially resolved Raman spectroelectrochemistry. These results would supply a sound mechanism of polythiophene memory devices.

聚合物存储材料在一定的电压下存在不同导电状态，可以实现超高密度和超大容量的信息存储，在高速度计算领域有着非常广泛的应用前景。聚噻吩及其衍生物通过掺杂极化能调节载流子的浓度或者电荷迁移速率，这种特性开辟了聚吩材料在电双稳态存储领域的应用。本项目设计并制备侧链含有烷基醚基和二乙醇氨基的聚噻吩以及N-烷基醚吡咯并吡咯二酮与噻吩的共聚物，以提高聚噻吩的电存储性能。以简单的旋转涂膜方式制备新型"有机场效应晶体管(OFET)"结构的聚噻吩存储器件。研究器件的电存储操作机制，借助HRSEM、AFM、GIXD等技术探明薄膜形貌、厚度、形态与存储性能之间的关系。借助空间分辨拉曼光谱在分子尺度上深入系统地研究聚噻吩材料的极化过程，为聚噻吩存储材料提供坚实的理论依据。

聚合物存储材料在一定的电压下存在不同导电状态，可以实现超高密度和超大容量的信息存储，在高速度计算领域有着非常广泛的应用前景。目前在聚合物存储材料的研究领域里亟待解决的工作主要集中于探索材料的存储机理，研究和开发具有更好电学特性及工艺兼容性的高分子功能材料和薄膜，进一步推进其器件化。本项目针对烷基取代聚噻吩存储性能不佳的问题，以3-甲氧基噻吩为主要原料合成功能化侧链取代基团聚噻吩材料，包括侧链含有烷基醚和醇胺基取代的聚噻吩，通过界面分析得到各种聚合物的分子结构与成膜性能的关系；以旋转涂膜的方式获得厚度可控的、与电解质层界面粘附良好的聚噻吩主动层；制备出OFET型聚噻吩存储器件，研究以功能化聚噻吩以及亲水性聚电解质为功能存储层，研究器件的制备工艺以及器件结构的优化；研究不同取代基团的聚噻吩分子结构与器件开关转换时间、信号保持时间与器件“写入-读取-擦除”循环次数之间的关系。结果表明，功能化的聚噻吩与电解质层的界面相容性很好，侧链功能取代基团的引入提高了器件的信息存储特性，包括降低开关转化时间、降低开关转化电压、提高信息保持能力和读写循环次数。另外，采用激光共聚焦显微技术研究器件的开关机理，证明了聚噻吩的极化子生成以及传递是导电的机理。本项目中,聚噻吩侧链官能基团改变提高了聚噻吩的开关转换时间和信号保持时间，也就是基于这类材料的器件存储性能的提高，这个问题是本项目解决的首要学术问题。探明了功能化聚噻吩存储材料的开关存储机理是聚合物存储材料和器件走向工业化必须解决的问题，因此本项目的研究成果具有重要的意义。