低工作电压高性能有机铁电场效应晶体管的制备及性能研究

Currently, most reported organic ferroelectric field-effect transistors (FeFETs) are operated at high voltage refraining them from potential plant-scale application. In this project, to solve the problem, we employ a new thin-film fabrication process, the Langmuir-Blodgett (LB) technique first time to fabricate an ultra thin organic ferroelectric film of poly(vinylidene fluoride – trifluoro ethylene) (P(VDF-TrFE)) as the high k gate insulator with controllable thickness in molecular level. Furthermore, by proper treating the surface of gate insulator and choosing high-mobility organic semiconductors, it is possible to achieve the target of low-voltage high-performance FeFETs. Meanwhile, to understand and master the way to the final target, we systematically and intensively study the following two key scientific issues: 1. the ferroelectric and insulating properties of the LB fabricated P(VDF-TrFE) ultra thin films, 2. the interaction between the strong polarons in the ferroelectric layer and the carriers in the semiconductor layer, and the way to control them by understanding these phenomena in terms of appropriate physical models. In a word, the basic scientific research on experimental and theoretical study will shed light on the realization of the low-voltage high-performance FeFET memory devices and have great impact on the field of organic electronics.

当前大部分有机铁电场效应晶体管（FeFET）都存在着工作电压过高的缺点。针对该难题，本项目以FeFET为主要研究对象，通过采用新的薄膜制备工艺，即分子层镀膜的LB方法制备厚度均匀且可控的超薄有机高k铁电绝缘栅层P(VDF-TrFE)，为寻求低电压驱动的FeFET找到突破口；通过进一步对绝缘栅层进行适当的表面处理并选取具有高迁移率的有机半导体材料作主动层，达到制备在低电压驱动下获得高性能FeFET的研究目标。同时本项目还将针对上述研究过程中面临的一些关键科学问题：LB技术制备得到的超薄的该有机薄膜的铁电性与绝缘性能、有机铁电极化反转与有机半导体内载流子的相互影响及调控方法，进行系统、深入性的研究，并通过建立合适的物理模型认识并理解这些现象的内在原因，为实现低工作电压高性能的FeFET存储器件奠定实验和理论基础。

针对当前大部分有机铁电存储器存在的工作电压过高的缺点，本项目以有机铁电薄膜材料及其存储器件（包括电容器结构和场效应晶体管结构）为主要研究对象，通过制备厚度均匀且可控的超薄有机高k铁电绝缘薄膜层P(VDF-TrFE)，研究了器件的低电压驱动与多值存储的可能性，实验结果表明采用LB方法制备得到的有机铁电存储器件可以在低于1V的电压下工作，以及可以实现至少3个存储态，且每个存储态可保持时间都长达数年，这为寻求一种低电压驱动的具有多值存储功能的高性能柔性存储器件奠定实验和理论基础。同时在完成预期目标之后，本项目还就低电压驱动场致电子发射显示技术与离子风产生技术等方面拓展了研究，取得了一些较重要的研究结果。这些研究成果体现在：发表了4篇受本基金号资助的SCI论文（均为JCR二区及以上）与1篇EI论文，在国际国内学术会议上报告8人次，待发表学术论文数篇，培养硕士研究生4名。此外，项目投入直接经费21万元，支出15.3147万元，结余5.6853万元，剩余经费计划用于本项目研究的后续支出。