基于可溶液加工的宽带隙有机半导体纳米结构阵列电荷存储层的有机场效应晶体管存储器

近年来,非易性有机场效应晶体管存储器的研究已取得了很大进展,但是与目前技术成熟的硅基存储器件相比,这种存储器在存储容量、存储稳定性、可靠性等方面仍存在一些问题,限制了其实际应用。对于非易失性有机场效应晶体管存储器来说,其中的电荷存储层主导着电荷俘获与电荷释放过程,直接影响着存储器的存储性能。因此,设计高效率的电荷存储层对于高性能的非易失性有机场效应晶体管存储器的研制是非常关键的。

在之前的非易失性有机场效应晶体管存储器研究中,人们通常采用金属纳米粒子(Au、Ag、Al、Pt等)和无机半导体材料(MoS2、碳基材料等)以及有机小分子材料(C60、PCBM、CuPc等)作为电荷存储层,这些研究都有效地促进了存储器的发展,然而上述这些材料都属于金属导体和窄带隙半导体材料,存储电荷很容易流失,从而会导致存储器的维持性能衰减和可靠性降低。与金属导体和窄带隙半导体材料相比,宽带隙有机半导体材料具有较高的电荷势垒,可以更好地束缚电荷,因此其作为电荷存储层具有很大的潜力。由于与传统的聚合物电介体材料(PMMA、PS、PVP等)相比,在宽带隙的有机半导体的连续性平滑薄膜中被俘获电荷容易流失,因此利用宽带隙有机半导体作为电荷存储层的研究没有引起足够的重视,从而鲜有报道。另外,众多研究表明,与采用连续薄膜或无序的纳米颗粒作为电荷存储层相比,具有独立分散且高度有序的阵列化薄膜形貌的电荷存储层可以更有效地提高存储器的存储维持性能和电荷存储容量。在之前的报道中,人们通常采用热蒸镀、自组装以及微接触印刷等工艺制备这种阵列化的电荷存储层薄膜形貌,但是上述手段制备过程复杂,成本较高以及制作效率低下,不利于存储器的批量制备。因此,亟需发展一种高效低成本制备阵列化的宽带隙有机半导体电荷存储层的工艺,以此实现高性能非易失性有机场效应晶体管存储器的研制。

南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院黄维教授团队中的仪明东教授、解令海教授以及李雯博士基于宽带隙有机半导体材料[2-(9-(4-(octyloxy)phenyl)-9H-fluoren-2-yl)thiophene]3 (WG3)与 Trimethylolpropane (TMP)混合溶液产生相分离的性质,利用溶液旋涂工艺湿法制备了独立分散且高度有序的WG3纳米结构阵列,并将其作为电荷存储层,成功应用于非易失性的有机场效应晶体管存储器中。与干法制备相比,该方法操作简单、成本低廉,并可实现大面积加工和大批量制备阵列化的电荷存储层。更为重要的是,这种WG3纳米结构阵列并没有破坏晶体管的场效应特性,这主要是因为在相分离过程中,具有较高表面能的TMP会优先沉积在SiO2的表面,改善了WG3与SiO2之间的介面特性,从而使得具有WG3纳米阵列结构的有机场效应晶体管存储器的仍然保持了很好的场效应特性,保证了存储器工作的稳定性和可靠性。这种基于WG3纳米阵列结构的存储器与基于WG3平滑薄膜的存储器相比,在相同的写入和擦除情况下,其具有更大的存储窗口、更快的存储响应速度及更稳定的存储维持时间和存储耐受性。进一步的定量分析揭示了尽管具有纳米阵列结构WG3和平滑薄膜WG3的两者能级相同,但是与WG3薄膜相比,WG3纳米阵列结构与pentacene具有更大的接触面积,从而提高了存储过程中电荷俘获与释放的效率。同时,WG3独立的纳米结构可以有效抑制被俘获电荷的流失,从而提高了存储器的稳定性与可靠性。

此项研究提供了一种操作简单、成本低廉,可实现大面积和大批量制备纳米结构阵列化的宽带隙有机半导体电荷存储层的湿法加工工艺。同时,验证了这种具有独立有序的纳米结构阵列的宽带隙有机半导体同样可以作为非易失性有机场效应晶体管存储器的电荷存储层,丰富了电荷存储层的材料构成种类,从而为实现高性能非易失性有机场效应晶体管存储器的研制提供了新的研究策略。这种基于宽带隙有机半导体纳米阵列的非易失性晶体管存储器有望在大容量存储和柔性电子领域中得到广泛的应用。相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201701437)上。

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