堆积聚合物半导体设计、位阻功能化及其电存储器

Electroresistant polymers are the key components to construct the molecule-level two-terminal resistive memory devices, which have been one international frontier research area. The π-stacked polymers have excellent intramolecular non-covalent π-π interactions and hopping charge transport, in which their dynamic feature of supramolecular polymers probably provide one way to challenge the electroresistance of key scientific issue. In this project, a series of vinyl stacked polymers have been designed that will be synthesized, followed by the steric hindrance functionalization in order to systemically investigate the conformational change behaviors and controllable motion. We will focus on the relationship of stacked polymer structure-electronic structure-film morphology- device functionality and performance, making attempt to the realization and characterization of controllable motion, probably resulting in understanding the detailed relationships of stacked polymer memories and electroresistance, followed by developing new memory materials with bistable or multiple states. These explorations will provide principles and materials for the stable and high-performance resistive memories, such as flash, WORM and DRAM. Several independent intellectual property rights and the patent technology for the commercialization will be obtained.

聚合物电致阻变半导体材料是构建分子机制的电阻型二极管存储器的关键，已成为有机电子、信息存储技术等领域中的国际前沿研究方向。堆积聚合物表现了特有分子内堆积弱作用与跳跃电荷输运，具有潜在的超分子聚合物的动态行为特征，有望构建新一代聚合物电致阻变材料。针对堆积聚合物的构象变化与电致阻变关系这一关键科学问题，申请人拟设计并合成一系列乙烯基堆积聚合物，随后进一步位阻功能化，系统研究堆积聚合物结构、电子结构、薄膜形貌与器件功能与性能的关系，探索薄膜可控运动的实现与表征，揭示电致阻变原理、电双/多稳态电存储材料设计规律。在此基础上，筛选出一系列高性能、稳定的电致阻变材料，为发展聚合物电阻型存储器，如闪存（Flash）、只读存储（WORM）和动态随机存储（DRAM）等提供原理与材料支撑，形成多项自主知识产权的聚合物电存储材料专利技术。

针对堆积聚合物的构象变化与电致阻变关系这一关键科学问题，本项目围绕堆积聚合物半导体设计、位阻功能化及其电存储器展开工作。一系列具有不同电子结构、位阻、构象以及超分子作用的堆积聚合物被获得，通过对聚合物二极管和晶体管器件的模型器件分析，发现尽管分子机制存在，但不是主要机制；构象与骨架行为是通过改变导电丝形成过程来影响存储器参数；提出堆积聚合物掺杂半导体分子作为驻极体层实现高性能存储的策略，利用静电力显微镜（EFM）和开尔文扫描探针显微镜（KPFM）对螺环-堆积PS复合驻极体薄膜的电荷动态进行可视化表征，包括捕获、耗散以及保持等，发现堆积材料可以有效定域电荷；利用溶剂诱导、热诱导来实现位阻聚芴半导体β相，发现聚芴β构象转变过程会制动形貌变化和纳米结构形成，有利于电荷定域行为，β相可以有效提高了存储特性，包括维持时间和开关比；研究了烷基链和扭曲分子内电荷转移等构象变化对电荷俘获的影响，发现对比C-O键，C-C更有利于电荷的存储，没有烷基链会更好抑制声子耗散过程，这为驻极体分子设计提供了重要指导；最后，将具有可逆构象特征的分子开关引入到二极管和三极管存储器，不仅实现了对导电丝的有效调控，还利用光电独立操控技术实现了多阶存储技术及其逻辑门功能。相关研究成果已经发表在包括Advanced Materials、Small、Organic Letters、Macromolecules、ACS Macro Letters、Journal of Physical Chemistry C等SCI期刊论文52篇，国内其他学术刊物论文2篇，获授权专利10项。培养博士毕业生3名、硕士毕业生10名。