有机材料的多进制电存储机理研究与性能优化

Organic conjugated materials of multiple stable conductive states could be fabricated into multilevel random access electro-resistive memories (RRAMs), which process high information density, simple structures and rapid reading/writing speeds. However, the current operating mechanisms of multilevel RRAMs are either adapted from inorganic memories, or only involve monomolecular electronic properties. All these mechanisms are still in debate and cannot satisfactorily explain the existing phenomena, hindering the future development of organic RRAMs. Based on our group’s research in this field, this project aims to study the memory mechanism from new aspects rather than monomolecular electronic properties. We first design a series of molecules of almost identical electronic properties and fabricated them into memory device by controlling the film forming condition. With the help of surface chemistry tools, structural analysis and theoretical calculation, the interaction between electrode/molecule interface, molecule/molecule, grain/grain boundary will be surveyed and correlated to the statistical memory performances in order to obtain novel and reliable mechanisms. Finally, these new mechanisms could be used to guide the design and optimization of organic RRAMs to high performance and reproduciblity.

存在多个稳定电导态的有机共轭材料可制成具有多进制电阻式存储器件，具有信息密度高，结构简单，读写速度快等优点。但各种有机多进制存储机理或直接套用无机材料机理，或只考虑单分子电学性质，均无法满意解释已有实验事实，存在诸多争论，大大的阻碍了电存储的研究。本项目基于课题组多年有机小分子多进制电存储研究结果，拟从单分子电学性质以外新视角研究其机理。首先创新性设计电学性质几乎相同的系列分子，消除单分子性质引起的变化，控制成膜条件。再利用表面化学、晶体结构解析、理论计算等工具考察所制成存储器件中分子和电极界面，分子间，晶畴间三种相互作用。从而将以上三种作用引起的器件性能变化做统计性关联，建立新颖、可信的有机电存储机理。所获机理可有效指导有机多进制电存储器件的设计和性能优化，获得性能优异，重现性高的有机多进制电存储器件。

现有有机多进制存储机理或直接套用无机材料机理，或只考虑单分子电学性质，均无法满意解释已有实验事实，存在诸多争论的问题，阻碍了有机多进制性能的进一步优化。在本项目支持下，申请人三年来聚焦多态电存储材料与器件的基础研究，合成了两个系列有机电存储材料，设计开发了系列多态电存储新材料，从表界面科学揭示多态电存储机理和优化器件可靠性,持续优化器件产率与环境稳定性；开发多态存储新器件类型，实现四态电存储；开拓多态电存储材料新的气湿敏应用，研制气体传感器，成功应用于环境检测。主要原创性成果包括： .1).率先在多态电存储器件工艺中引入表界面工程，多进制电存储器件产率86%为报道最高，大大优化器件可靠性；.2).提出配位键强化电存储材料新策略，提升器件抗高温、火焰、辐射稳定性，超越传统闪存技术；.3).实现了国际上第一个独立的理想忆容器件，实现超高产率四进制存储，开拓多态存储器件新领域；.4).提出离子共轭（ion-in-conjugation）概念，打破多项气体传感下限记录。.以第一或通讯作者身份在Advanced Material等期刊等发表SCI论文21篇。授权中国发明专利9项，美国专利4项。获江苏省政府科学技术一等奖（排名5），2017教育部自然科学一等奖（排名6），培养研究生10名，参加多项国内外会议，产生了良好的学术影响。以上科研成果可有效指导有机多进制电存储器件的设计和性能优化，实现了获得性能优异，重现性高的有机多进制电存储器件。对有机多进制电存储器件商业化提供了技术基础，并为有机多进制电存储材料拓展了应用。