超高密度信息存储有机材料的设计合成及调控器件性能的研究

The world-renowned 3D IMAX movie Avatar consists of 700 kg of film prints indicates that the existing storage materials and technologies have lagged far behind the rapid development of the information society. In this project, series of organic conjugated molecular will be synthesized to fabricate as "electrode/organic film/electrode" sandwiched device. The effects of molecular structure, pull-push ability of electron donor and acceptor, the length of soft chain, and the different film-forming methods on the device's performance will be precisely studied to conclude the design and synthesis theory of ternary data storage material. The device fabrication technology will be further studied to understand how the different electrode, film thickness, temperature and humidity, sealing or not will affect on the device's performance, such as the switching voltage, ON/OFF current ratio, switching time, and write-read-erase cycles. We hope the optimized parameters of device fabrication can be achieved,and then to combine with the ternary molecular design theory to guide for synthesis quarternary or even senary data storage material, which could increase data storage density revolutionary, for example, using the same 30 memory cells, the storage density of a ternary system is more than 100 million times greater than that of a binary system.Our target is to realize the 700 Kg film prints can be stored in one disk in the future.

2010年闻名遐迩的《阿凡达》电影胶片重量高达700公斤说明传统存储技术已经远不能满足现代社会信息量爆炸式增长的需求。本项目就是研究超高密度信息存储的有机材料--大π共轭结构的有机分子，研究分子中推拉电子体系、分子构型、分子中柔性链长短对材料的存储进制（如三进制、四进制等）的影响；研究不同成膜方法和不同分子结构对薄膜中分子排列有序性及薄膜物理稳定性的影响；总结分子结构对器件性能影响的理论规律，探索具有三进制乃至更多进制存储功能的材料分子结构设计、合成的理论依据，以及器件制备的优化工艺参数，进而调控器件存储性能，突破传统二进制存储限制，实现稳定的三进制、四进制乃至于更多进制的储功能材料和器件，使在相同面积内信息存储密度比二进制呈亿倍的增长，实现原本700公斤的阿凡达电影胶片变为一张碟片可以解决，在全世界新型存储技术领域起到原创性和引导性作用。

申请者在该项目立项后，确立了分子尺度的结构设计、纳米尺度的薄膜质量提升以及微纳尺度的器件优化机制的多尺度体系协同调控实现稳定多进制器件的研究思路，建立了多进电荷陷阱机理调控实现多制材料的研究方法，具体取得成就如下： .1．创建了“电荷陷阱”机理作为分子尺度结构设计理论依据，实现了五十多个系列的三进制和四进制材料体系，提出了在不同尺度分子共轭骨架中引入不同吸电子基团构成差别化电荷陷阱的机理，突破了材料在电场下只有两个导电态现状，实现多个导电态，提出了多导电态对应多进制信息存储的新思路，使相同面积内信息存储密度呈亿倍增长，在“电荷陷阱”机理指导下成功制备了四进制存储分子器件。.2．构建了微观分子规整取向及宏观薄膜表面纳米起伏的综合调控机制，解决了电荷从分子到薄膜跨尺度体系内自由传递的难题多进制器件中纳米薄膜内分子规整取向及表面纳米起伏对电荷传递、器件稳定性起着决定性作用。研究并发现了分子平面性、共轭面大小、柔性链长、成膜方法、外界温湿度、氢键等众多因素对纳米薄膜形貌及分子间规整取向的影响规律，提出了分子结构中增加易形成氢键基团和薄膜热后处理工艺的协同解决方案，形成了表面纳米起伏低、内部分子间H 型平行堆积的高质量纳米薄膜。.3．建立了微纳多进制器件中电极和纳米薄膜界面优化机制，提出稳定、长效和节能的多进制存储器件解决方案器件中纳米薄膜和金属电之间接触界面决定电荷注入能垒大小及器件长效稳定性。先后建立了分子结构中氮元素含量对纳米铝电极蒸镀渗入薄膜影响及屏蔽机制；构建了分子中氟元素含量对纳米薄膜表面抗湿和抗氧化的调控规律；建立了底电极单分子层修饰和薄膜表面增加过渡层降低界面能垒的调控机制。.在Adv. Mater.，Adv.Funct. Mater.等二区以上期刊上发表和本项目密切相关的SCI 论文76 篇，同时支撑了项目主持人在环保材料研究方向发表了标注论文35篇；项目执行期间授权中国发明专利8 项、美国专利2项，申请中国发明专利10项，获2017年度教育部自然科学一等奖1项，培养博士生12名、硕士生25名，其中1人获江苏省优秀博士论文称号、1人获江苏省优秀硕士论文称号，受英国皇家化学会邀请编写《Organic Electronics》一书中有机存储材料章节。