推-拉型电活性高分子信息存储材料和器件的关键基础问题研究

With the rapid development of electronic industries in recent years, information technology devices, such as personal computer, mobile phones, digital cameras and media players have become an essential part of our daily life. From both the technological and economic point of view, the development of novel information storage materials and devices has become an emergent issue facing the electronics industry. Due to the possibility of tailing electronic properties via molecular design and synthesis, polymer electronic memory has been identified as an emerging memory technology since 2005 by the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). In comparison to inorganic materials-based memory devices, polymer memories are 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 CMOS hybrid integration circuits. 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, to induce different memory behaviors in simple metal/polymer/metal devices. Relationships among the electrical transition phenomena, device parameters (including programming/erasing voltage and speed, ON/OFF ratio, retention time, reprogramming ability and cyclability), materials and device structures, and chemicophysical properties will be explored to understand the solid-state physics and electronics.

近年来随着电子工业的迅猛发展，诸如个人电脑，手机，数码相机和媒体播放器等信息技术设备已成为日常生活中不可缺少的一部分。无论从技术角度还是从经济角度来考虑，对新型信息存储材料和器件的研发已成为电子行业急需解决的问题。由于聚合物的电子性质可以通过分子设计和合成等手段调控或剪裁，2005年国际半导体技术发展蓝图（ITRS）将聚合物存储器视为新型存储器件。与无机存储器相比，聚合物存储器具有质量轻、成本低、透明等优点，可以大面积涂布在塑料、玻璃和CMOS集成电路上。本项目拟通过选择能级和推/拉强度匹配的电子给体和电子受体, 调变材料的给/受体比例及其在高分子结构中的位置分布等手段创新设计和制备一系列具有推-拉电子结构特征的高性能高分子信息存储材料。探索电子迁移现象、器件参数（包括写入/擦除电压和速度、ON/OFF 电流开关比、保留时间、再写入能力和循环稳定性等）、材料和器件结构及理化性质之间的关系。

作为现代信息技术的基石，发展拥有高读写速度、大容量、长寿命、低功耗和易于操作等特点的存储器件有利于数码世界的快速革新。在国家自然科学基金重点基金（项目编号：51333002）的有力支持下，我们取得了如下重要成果：1）设计、合成了一系列新型的非易失性给体-受体型聚合物忆阻材料，这些材料具备有趣的忆阻开关性能。通过将三苯胺和二茂铁的氧化还原活性部分引入到芴骨架的悬垂链上，获得的共轭聚合物表现出三重氧化行为和有趣的忆阻开关特性。基于其独特的电化学和电学行为，制备的聚合物器件能够执行多级存储，“加、减、乘、除”的十进制算术运算，和简单的布尔逻辑运算；2）设计和合成了一系列新型聚合物共价修饰的二维纳米材料和零维的黑磷/石墨烯量子点材料。这些材料表现出优异的非易失性双态或三态阻变存储性能; 3）利用薁配位金属框架材料成功制备了准分子整流器。平均整流比高达5.7，并且表现出300次循环的优异稳定性；4）聚合物中的离子官能团所提供的局域静电场能极大地影响导电丝的尺寸，形状和统计分布，达到调变器件性能的目的；5）利用多功能模板辅助法，制备了内含可移动的金纳米核的电活性高分子刷封装的“铃铛”型纳米球，观察到了独特的可调节的存储与电学特性； 6）通过电聚合反应制备了紫精-桥联聚苯胺/金纳米粒子/紫精-桥联聚苯胺结构的杂化薄膜。相应的存储器件表现出电双稳态的非易失性可重复擦写存储性能，开关电流比达到105；7）通过铃木偶联反应合成了几种在侧链上具有不同电子受体的可溶性给体-受体型聚咔唑衍生物，这些聚合物表现出典型非易WORM存储性能。.在项目的实施过程中，我们在Nature Communications, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Electron. Mater. Carbon，Nanoscale，Chem. Commun., Macromolecules, J.Mater. Chem. C.等一些国际著名和知名SCI期刊上发表了31篇重要的科学论文（其中影响因子大于5的论文19篇）。多次在国内外学术会议上做邀请报告。研究项目《新型非易失性高分子阻变存储材料》荣获2018年教育部高等学校科研优秀成果奖之自然科学奖二等奖(第1完成人，公示已结束)。