具有存储功能的聚酰亚胺及聚酰亚胺/金属纳米杂化材料的制备

本课题将采用含有电子给体（咔唑、三苯胺、二茂铁）单元的二元胺或多元胺和含有电子受体单元的二酐直接聚合来制备具有电双稳性能的聚酰亚胺存储材料，系统研究电子给体、受体的种类和它们在分子链中的相对位置及大分子链的构造对材料存储性能的影响，建立起聚酰亚胺的化学结构、空间结构与其存储性能之间的关系；弄清不同电子给体单元和受体单元电荷传递作用的强弱和机理，建立材料内部电荷传递的物理模型。同时，研究将采用原位一步法，在所制备出的分子结构中含电子给体-受体单元的聚酰亚胺中引入尺寸在10nm以下的金属（包括银、铜、钴、镍）纳米粒子，依靠尺寸处于几个纳米的金属颗粒在电场作用下产生的纳米阱效应，进一步提高基体的电荷传递能力，制备出具有优异纳米阱存储功能的聚酰亚胺基存储材料。系统考察金属粒子的种类、掺杂量和尺寸与其纳米阱效应之间的关系，并找出最佳的工艺和体系，制备出具有最佳存储性能的聚酰亚胺/金属纳米杂化材料。

本课题采用含有电子给体基团的二胺/多元胺和含有受体基团的二酐进行缩合聚合，合成出一系列分子结构中同时含有电子给体和电子受体单元的聚酰亚胺，制备出具有存储性能的聚酰亚胺。将咔唑、三苯胺和二茂铁三种典型的电子给体单元作为研究对象，设计合成了多种不同结构的二元/多元胺；然后将它们分别与具有电子受体功能的二酐六氟二酐进行缩聚，制备了空间结构较易实现的主链型、树枝型、侧链型及超支化聚酰亚胺。通过对以这些聚酰亚胺为介质层的存储器件的电性能和存储性能的测定，系统的研究了不同电子给体单元和电子受体单元电荷传递作用的强弱和机理，制备出了具有不同存储行为的聚酰亚胺，并对材料中的电荷传递机理进行了探讨。其中，带有咔唑基团的主链性聚酰亚胺(6FDA/DAC)表现出了动态随机存储性能（即DRAM），其开关比可达10^4，并且表现出了良好的器件稳定性，分析其存储机理发现器件处于高阻态时符合阻抗式(Ohmic model)传导机理，而器件处于低阻态时符合空间电荷限制电流(SCLC)的传导机理；带有二茂铁基团的侧链型聚酰亚胺(ferrocene-g-6FDA/DHTM)表现出了非易失性存储行为，其开关比为10^3，预示着以聚酰亚胺为基体的存储材料的广泛应用；带有双三苯胺基团的超支化聚酰亚胺(6FDA/TEAPBD)表现出一次写入多次读取的非易失性存储性能（即WORM）, 其开关比为300。. 同时，由于尺寸处于几个纳米的金属颗粒在电场的作用下会形成“纳米阱”，即可以起到捕获电荷和释放电荷的作用。因此在研究中，我们采用了一种不具备存储性能的可溶性聚酰亚胺作为基体与银进行杂化，通过控制条件在聚酰亚胺基体中引入一定尺寸的银颗粒，利用纳米银颗粒在聚合物基体中所形成的“阱”赋予该材料电荷传递能力的作用，制备出了具有非易失存储性能的聚酰亚胺/银纳米杂化材料。同时，研究发现该杂化材料在高阻态时符合热激发式的电荷传导机理，在低阻态时符合空间电荷限制电流的电荷传导机理。