以铜-酞菁核星状聚苯乙烯高分子为纳米浮栅于非挥发性有机场效电晶体型记忆体元件之应用

使用典型的快闪记忆体元件(flash memory device),满足了大量数据存储的需求亦加速了近几十年來资讯技术的发展。于众多种类的非挥发型记忆体元件之中,由于以浮栅为设计基理之快闪记忆体元件拥有可以大量储存之性能,其目前已广为应用。但由于近来急速减小电子产品体积的需求,目前传统的快闪记忆体元件的制造则面临到线宽尺度急速下降与单元间密度急速增加的挑战,因此传统式快闪记忆体元件于制作更大面积与更大储存量的元件则为其持续发展最大的困难。著眼於下世代的可穿戴式电子元件,有机记忆体元件由于其结构的可挠性、易加工性、轻巧、制程比无机硅技术更简单,因此有机记忆体元件已受到极大的重视。不同于传统的无机快闪记忆体元件,有机记忆体元件可以利用分子结构设计来改变微米或纳米尺度下的微结构来达到调整记忆体元件性能的目的,以满足设备应用面的需求。

Adv. Electron. Mater.chenwenzhang

日本国立物质材料研究机构相见顺子博士和台湾大学陈文章教授合作团队,使用(铜-酞菁(phthalocyanine))核之星状高分子作为纳米浮栅(nano-floating gate),与以五联苯(pentacene)为半导体层,成功地制备了高效能的非挥发型有机场效电晶体型记忆体元件。其中重要的纳米浮栅之化学结构设计为以(铜-酞菁)错合物为核心、以原子转移自由基聚合(atom transfer radical polymerization)与高效能之环化反应来精准合成的四臂星状聚合物。此(铜-酞菁)核之星状聚苯乙烯高分子可以利用其π-π作用力,发生自组装而产生高度规则性的奈米分相微结构并且均匀且各自地分散在高分子薄膜之中。当对此元件进行电压的重复写入/移除(programming/erasing)操作时,由于微结构中的(铜-酞菁)错合物具极佳的电化学性质,因此新颖纳米浮栅结构亦可对应地发生电荷之补捉/释放,同时,外围的聚苯乙烯手臂可以抑制电荷的泄漏,整体表现良好的资讯滞留效能(retention ability)。所以,以铜-酞菁核的星状聚合物导入有机半导体元件作为电荷存储层,展示了非挥发型(non-volatile)快闪记忆体特性、约有107的高电流开关比(ON/OFF current ratio)、长效电荷滞留效能和良好的重复使用性等优点,为一出高效能之非挥发型有机场效电晶体型记忆体元件。基于此,本研究提供了一个可以结合不同的新颖高分子聚合法来制备更多样的此类酞菁核之星状高分子的分子结构设计概念,并可将此一系列之新颖材料应用于当作纳米浮栅结构中,透过一系列的研究将可提供系统性优化与分子结构的关联性,以满足于制作下一代有机记忆体元件的需求。

相关论文在线发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201500300)。