非易失性D-A型高分子信息存储功能材料的设计和制备

Among the emerging memory technologies, resistive random access memory (RRAM), which stores binary digital data by encoding “0” and “1” as the low (OFF) and high (ON) resistance states in response to the external electric field, is of great importance for the continuous innovation of electronic industries and requires rational design and synthesis of novel functional materials with desired and controllable electronic properties. Polymer memories have been proposed to revolutionize electrical applications by providing extremely inexpensive, lightweight, and transparent modules that can be fabricated onto plastic, glass, or the top layer of the complementary metal oxide semiconductor circuits. By using polymer materials as the storage media, flexible and miniaturized memory devices with simple structure can be fabricated with particular ease through solution processing, resulting in simplified fabrication process and significantly reduced manufacturing cost. In this project, we will try to design and prepare a series of highly soluble D-A type functional polymeric materials in which the molecular structure of polymers can be tailored by functionalizing them with electron donors and acceptors of different strengths, spacer moieties of different steric effects for the electroactive pendant groups, or nanostructured electroactive materials. Relationships among the materials structure, the electrical transition phenomena, and device performance, will be systematically explored.

非易失性电阻型随机存储器（RRAM）技术的发展对于电子工业的持续创新具有举足轻重的作用，而支撑这一技术的重要基础是创新设计具有可控电子性质的新型功能材料。该技术的基本原理是器件在外加电场的作用下利用高/低阻态变化实现二进制“0,1”编码。以高分子材料制备阻变存储器件，为超大规模集成电路的发展提供了一个新的思路。与硅基材料相比，高分子材料有明显的优势，它容易加工、成本低、功耗小、重量轻、体积小、存储密度高，可以三维堆积，甚至可以大面积‘刷涂’在玻璃、塑料和集成电路上，还能根据需要对分子结构进行精心剪裁，调控材料和相应器件的存储性能。本项目拟设计和合成一系列非易失性可溶性D-A型高分子信息存储功能材料。探索材料的基本结构、电子迁移现象、器件性能之间的构效关系，为原型器件的构建奠定理论和技术基础。

存储器是现代信息技术的核心和基础。推动信息技术的可持续发展和进步的关键是开发基于新结构、新原理和新材料的新型存储器。与基于无机的存储器相比，基于高分子材料的阻变存储器件因高分子材料本身具有的诸如“材料结构易于调变或修饰、可溶液加工、存储密度高、制造成本相对低廉”等显著优势而备受青睐。有望为超大规模集成电路的发展、解决信息技术发展过程中面临的冯诺基曼瓶颈和摩尔定律极限问题提供了一个新的技术思路。在国家自然科学基金委青年基金的资助下，我们设计和制备了一系列具有推-拉电子结构特征的电子给体-受体型高分子信息存储材料，研究了材料的基本结构、非易失性存储性能和存储机制。例如，我们合成了了一种可溶性的聚乙烯基咔唑共价修饰二硫化钼纳米片材料，并成功制备了结构为Au/MoS2-PVK/ITO的非易失性可擦写存储器件。这是报道的第一个基于聚合物化学修饰二硫化钼纳米片的信息存储器件。我们成功合成了一种新型可溶性聚[(1,4-二乙炔基苯)-氟硼二吡咯]共价修饰RGO的阻变材料，简称为PDBD-g-RGO，然后以PDBD-g-RGO为活性层，涂覆有ITO的PET为柔性基底，制备了具有三明治夹心结构的柔性电子器件，该器件表现出优异的非易失性可擦写存储性能，并且在器件极度弯曲的情况下都能稳定的保持存储性能。PDBD-g-RGO这一特点可被用于制备各类柔性阻变存储器件。通过本项目的研究，我们制备了一系列热稳定性优良、启动电压介于1-3伏，开关比介于1000-100000，功耗介于6.7 nW ~221.4 μW的具有可擦写存储或一次写入多次读出功能的新型高分子信息存储材器件，取得了一些原创性研究成果。从项目开始实施到目前为止，我们已经在国内外权威学术期刊上发表论文14篇，其中12篇被Nanoscale、Carbon、Chem. Eur. J.、J. Mater. Chem. C和Org. Electron.等SCI期刊收录，均标注国家自然科学青年基金号。本项目的研究结果为高分子及其复合材料在非易失性存储器件中的实际应用提供了一些有较大参考价值的理论和实验技术基础。