Advanced Electronic Materials:n-型掺杂材料提高有机存储器性能

随着信息技术的迅猛发展与广泛应用,各种需要接收与存储的信息与日俱增,发展信息存储技术显得越来越重要。电子存储元件是信息的采集、处理和存储过程中必不可少的成分,其相关研究备受关注。与传统的无机存储器件相比,非易失性有机场效应晶体管存储器具有成本低、易于大面积加工制备以及可与柔性基底兼容等优点,并且可以实现非破坏性读取和多阶存储等功能,有望满足人们对可穿戴设备中大容量存储设备的需求。

电介体型有机场效应晶体管存储器以高分子电介体材料为电荷存储层,其材料的结构与能级易于调控,并且稳定性良好,具有重要的应用前景。以往的研究表明,在电介体材料中掺杂p-型有机半导体材料可以显著提高器件的存储性能。理论分析表明,n-型有机半导体具有较低的最低未占分子轨道(LUMO)能级,与p-型半导体材料之间电子注入势垒较小,是理想的电子俘获材料,可以提升电介体对负电荷的存储能力。然而,目前对n-型有机半导体作为电介体掺杂材料的研究却相对缺乏,如何调控材料的物理性质从而提高器件存储性能的相关理论尚不清晰。

兰州大学的张浩力教授课题组合成了一系列新型芘酰亚胺类衍生物(IPPA)作为非富勒烯n-型有机掺杂材料,制备了具有良好存储性能的非易失性有机场效应晶体管存储器,并通过引入不同取代基的方法调控IPPA分子的能级与偶极矩,研究了n-型有机半导体掺杂材料与器件存储性能的构效关系。相比于未掺杂的存储器件,IPPA掺杂器件的存储性能与稳定性得到了显著提升,其数据保持时间超过104s,测试中承受超过100次的读写擦循环没有性能损失。其中,具有氯原子取代基的IPPA-Cl化合物作为掺杂材料时,器件展现了最好的存储性能,其存储窗口最高达40.8V,电荷存储密度2.66×1012 cm-2,开关比超过106。通过对不同IPPA掺杂的器件进行对比发现,掺杂材料的能级低且偶极矩较小,则器件的存储性能越好。分析其原因表明,n-型有机掺杂材料的LUMO能级越低,电子的注入势垒越低,电子更容易从有机半导体层注入到电介体层。同时,掺杂材料的偶极矩越小,存储在电介体层中的分子越不容易耗散。

这项研究不仅展示了n-型有机半导体材料作为掺杂材料对电介体层电荷俘获能力的显著提升效果,还深入研究了掺杂材料与器件性能的构效关系,为设计高性能的有机存储器件提供了新的思路。相关文章在线发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201800598)上。

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