柔性可拉伸全碳电存储器件的设计、制备与性能研究

Carbon-based memory technology is an emerging research area in the current interdisciplinary of carbon electronics and information storage. Based on recent advances and trends in electrical memory, carbon electronics, and flexible stretchable electronics, the proposal demonstrates that a series of all-carbon electrical bistable materials, with the donor-acceptor feature and novel electromechanical switching properties, will be synthesized based on fullerenes, carbon nanotubes, graphene, and their derivatives as the precursors. Meanwhile, all-carbon electrode arrays with parallel arrangement are prepared by using the above mentioned carbon materials. Then all-carbon memory devices with flexible stretchable ability are fabricated. After that, the impact of chemical structure and composition of all-carbon hybrid materials on their energy level, dispersion, electrical bistable behaviors, and thermal stability is studied systematically. Material structure- device structure-memory property relationships are further explored. Moreover, the electrical stability of all-carbon devices is investigated upon externally applied stretch. Furthermore, the model of operation mechanism of electrical switching in all-carbon memory devices will be made based on the analysis of carrier transport in all-carbon electrical bistable materials under the different electrical conductivity. The design and fabrication of all-carbon memory materials and stretchable memory devices has great significance for the concept renovation and development of electrical memory technology.

碳基电存储技术是当前碳电子学与信息存储交叉领域的一大新兴研究方向。本项目结合目前电存储、碳电子、柔性可拉伸电子的研究现状与发展趋势，提出以富勒烯、碳纳米管、石墨烯及其衍生物为前驱体，合成一系列含电子给体受体和具有独特机电转换特性的全碳电双稳材料，同时制备平行排列的全碳电极阵列，构筑具有柔性可拉伸功能的全碳电存储器件。系统地研究全碳杂化材料的化学结构与组份对其能级、分散性、电双稳性、热稳定性的影响，探索材料结构-器件结构-存储性能三者之间的关系，考察可拉伸作用时全碳器件的电学稳定性，分析全碳电双稳材料在不同导电态时的载流子传输过程，进而建立一套适用于全碳电存储器件实现电转换的作用机制模型。这种电双稳材料的全碳化设计与电存储器件的柔性可拉伸加工对于推动电存储技术的理念革新与发展有重要意义。

柔性碳基电存储技术是当前碳电子学、柔性电子、有机电子与信息存储交叉领域的一大新兴研究热点。本项目结合目前碳电子、有机电存储与柔性电子的研究现状与发展趋势，在含给受体碳基电子材料合成方面，创新性提出了以绿色植物、有机分子、氧化石墨烯及其衍生物为前驱体，通过水热法高效合成了系列含氮元素掺杂的半导体碳量子点与碳纳米片材料，实现了低维碳电子材料的绿色宏量制备、形貌与性能可控；此外，通过改进多元醇法获得了系列具有超细、产率高、成本低等优点的导电银纳米线材料，技术水平达到国际顶级同类标准。在柔性导电薄膜方面，首次采用预延展与直接固化相结合方法获得了柔性超延展导电薄膜，该方法在基于一维导电材料导电薄膜制备方面具有普适性，诸如碳纳米管与银纳米线；在柔性碳基电存储器件方面，获得了一系列具有WORM、Flash、DRAM存储功能的新型碳基存储器件。在新型碳基存储技术方面，实现了首例基于全碳纤维的可编织信息存储器件，这为实现具有数据存储功能的可穿戴电子提供了有益尝试。在后摩尔时代多功能存储技术方面，创新性构筑了全球首例具有非易失性与易失性双模功能的全碳电存储器件，它具有高透明、全溶液、全碳化的显著特征，通过分析不同导电态时的载流子传输过程，揭示了石墨烯基电存储器件实现多阶阻变的作用机制；面向数据存储安全方向，设计实现了具有可溶解功能的柔性动态随机电存储器，预期可以实现数据的彻底销毁，达到数据存储的安全目的；面向柔性可延展存储方向，首次发展了一种基于褶皱石墨烯电极的柔性非失性碳基存储器的制备方法，并结合预拉伸技术实现了柔性可延展碳基非失性存储器。这些成果的获得极大促进了碳基信息存储材料与器件的发展与实用化进程，推动了信息存储技术的理念革新，丰富了碳基半导体技术的理论。