有机铁电场效应晶体管型存储器研究

发布时间：2017-03-26 19:12

  本文关键词：有机铁电场效应晶体管型存储器研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：铁电性质的发现可以追溯至上世纪二十年代,但随后仅仅被应用在少数领域。直到上世纪八十年代,随着一系列新型铁电材料的发现和发展,铁电特性被广泛应用到了电子学的各个领域,从基础的存储器到复杂的宇宙探测器。这其中,有机铁电材料尤其是PVDF (Polyvinylidene Fluoride)及其衍生物PVDF-TrFE [Poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene)]具有价格低廉,物理化学特性稳定,以及优异的可溶性等优点,有潜力在大规模低成本的有机铁电存储器制造中扮演重要角色。一大批基于PVDF和PVDF-TrFE的有机铁电存储器件不断被发明和优化,其中有机铁电场效应晶体管型存储器尤为引人注目。其晶体管型结构带来了诸多优点,包括更高的开关比和非破坏性读取,但低迁移率限制了它的多种存储性能。本论文通过系统的研究有机铁电层,以及铁电极化在有机铁电晶体管结构中的影响,成功的制得了高载流子迁移率有机铁电场效应晶体管型存储器。并以此为基础研究了铁电栅绝缘层,尤其是铁电涨落在器件中的影响。该结果不仅为优化其他基于铁电极化的器件提供了一种新的思路和方法,也为发展大规模高性能有机功能芯片中的存储单元提供了科学基础。本文中,创新的研究成果主要包括以下几个方面：1.制备了高性能PVDF-TrFE有机铁电薄膜,为实现有机铁电场效应晶体管型存储器提供了栅绝缘层。通过研究不同溶剂,浓度和外界环境对于旋涂PVDF-TrFE铁电薄膜的影响,优化成膜的工艺参数,得到了平整的PVDF-TrFE薄膜。在此基础上研究了平整PVDF-TrFE的退火结晶过程中温度与粗糙度的依赖关系,得到了粗糙度(RMS;Root Mean Square)低至2.36 nm的薄膜。同时,通过在薄膜表面旋涂超薄高分子量PMMA(Polymethy lmethacrylate)进一步的修饰了有机铁电薄膜,发现有机铁电薄膜在PMMA修饰后其中的铁电极化并没有降低。这一系列工艺和材料特性的研究,为有机铁电场效应晶体管提供了高质量的铁电栅绝缘层。2.成功实现了高载流子迁移率的有机铁电场效应晶体管型存储器。基于修饰后的有机铁电薄膜,制备了基于有机半导体材料C8-BTBT (2,7-dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene)的高迁移率有机铁电场效应晶体管。器件的载流子迁移率相对于之前的报道有数倍的提高(平均3.46 cm2V-1s-1,最高值超过4 cm2V-1s-1),刷新了有机铁电场效应晶体管中的载流子迁移率记录。同时,高载流子迁移率提高了有机铁电场效应晶体管作为存储器件的一系列性能,包括写入时间低至30ms,以及器件可以在1000s内保持104的开关电流比值。这使机铁电场效应型晶体管型存储器的实用化向前迈进了一步。3.证实了钝化铁电涨落能够提高有机铁电场效应晶体管中的载流子迁移率。论述了铁电涨落的物理含义和来源的基础上,实验研究了器件中载流子迁移率的温度依赖及其与有效电场之间的关系,通过抑制有机半导体/有机铁电层界面附近铁电极化涨落大幅提高了器件中的载流子迁移率,进一步的研究发现该抑制作用来源于PMMA与PVDF-TrFE分子间的相互作用。理解铁电涨落对载流子输运的影响为我们进一步优化器件性能提供了科学指导。4.研究掌握了有机铁电场效应晶体管中栅绝缘层对载流子注入的影响规律。通过钝化铁电栅绝缘层,器件中的接触电阻由260 kΩ·cm降低至55kΩ·cm。更深入的研究证明,铁电栅绝缘层能够影响注入区有机半导体中的载流子能量分布,进而影响器件中的接触电阻。降低器件中的接触电阻有助于进一步提高有机铁电场效应晶体管中的有效工作电流,同时降低器件的功耗。
【关键词】：有机 铁电场效应晶体管 铁电涨落 界面 注入 传输
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333
【目录】：

• 中文摘要4-6
• abstract6-11
• 第一章 绪论11-29
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 铁电特性12-16
• 1.2.1 铁电材料的发展12-14
• 1.2.2 有机铁电材料及其性质14-16
• 1.3 有机铁电存储器件16-20
• 1.3.1 电容器型存储器16-18
• 1.3.2 场效应晶体管型存储器18-20
• 1.4 有机场效应晶体管中的主要物理问题20-26
• 1.4.1 载流子输运20-24
• 1.4.2 载流子注入24-26
• 1.5 小结26-29
• 第二章 有机铁电薄膜的制备研究29-43
• 2.1 有机铁电薄膜制备工艺简介29-30
• 2.2 薄膜的制备与表征30
• 2.3 工艺参数对薄膜形貌的影响30-40
• 2.3.1 溶剂对于薄膜形貌的影响30-36
• 2.3.2 退火温度对于薄膜结晶特性的影响36-40
• 2.4 小结40-43
• 第三章 高性能有机铁电场效应晶体管型存储器43-63
• 3.1 有机铁电场效应晶体管型存储器简介43-44
• 3.2 器件制备与测试44-45
• 3.3 有机铁电薄膜的电学特性45-49
• 3.4 有机铁电场效应晶体管型存储器的电学特性49-61
• 3.4.1 基于并五苯的有机铁电场效应晶体管49-52
• 3.4.2 基于C_8-BTBT的高性能有机铁电场效应晶体管52-61
• 3.5 小结61-63
• 第四章 有机铁电场效应晶体管中的载流子输运63-81
• 4.1 有机半导体中载流子输运的基本特征63-66
• 4.2 内建电场对载流子输运的影响66-70
• 4.3 器件的制备与测试70-71
• 4.4 铁电涨落对于载流子输运的影响71-80
• 4.4.1 薄膜表面形貌对载流子输运的影响特征71-73
• 4.4.2 载流子迁移率的温度依赖73-77
• 4.4.3 铁电涨落对载流子散射的影响77-80
• 4.5 小结80-81
• 第五章 有机铁电场效应晶体管中的载流子注入81-91
• 5.1 有机场效应晶体管中载流子注入的基本特征81-83
• 5.2 器件制备与测量83-84
• 5.3 铁电层对于载流子注入的影响84-90
• 5.3.1 注入区接触电阻84-89
• 5.3.2 注入区载流子能量分布89-90
• 5.4 小结90-91
• 第六章 总结与展望91-95
• 6.1 主要结论91-92
• 6.2 对未来的展望92-95
• 致谢95-97
• 参考文献97-119
• 科研成果119-122

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李明亚;毛彦霞;王旭东;;PVDF超滤膜的改性研究进展[J];广州化工;2013年17期

2 张玉坤;沈鹏;王希;杨昌玉;梁基照;;PEG含量对PVDF/PEG共混膜性能的影响[J];工程塑料应用;2013年07期

3 王国庆;阮文祥;廖俊斌;王建黎;;聚偏氟乙烯膜的共混亲水化改性研究进展[J];广东化工;2013年17期

4 Jian-hua Wang;Yong-hua Zhang;You-yi Xu;朱宝库;Hong Xu;;Fabrication of Hydrophilic and Sponge-like PVDF/Brush-like Copolymer Blend Membranes Using Triethylphosphate as Solvent[J];Chinese Journal of Polymer Science;2014年02期

5 马颖;时方晓;王晴;王秀梅;秦嘉;潘光鹏;;有机功能薄膜的制备及高密度信息存储研究[J];功能材料;2013年S2期

6 魏永;陈雪丹;董良飞;;纳米改性膜生物反应器处理生活污水的试验研究[J];工业水处理;2014年01期

7 吴超超;刘根;徐君莉;张霞;;PVDF/ZrO_2杂化膜的制备及吸附牛血红蛋白的性能[J];高等学校化学学报;2014年04期

8 杨帆;韦敏;邓宏;杨胜辉;刘冲;;铜掺杂氧化锌薄膜阻变特性的研究[J];发光学报;2014年05期

9 Tian Sun;张宇峰;Chun-lin Chen;Xiang-zhuang Gong;孟建强;;Synthesis of Membrane Adsorbers via Surface Initiated ATRP of 2-Dimethylaminoethyl Methacrylate from Microporous PVDF Membranes[J];Chinese Journal of Polymer Science;2014年07期

10 Min-Jie Shi;Sheng-Zhong Kou;Bao-Shou Shen;Jun-Wei Lang;Zhi Yang;Xing-Bin Yan;;Improving the performance of all-solid-state supercapacitors by modifying ionic liquid gel electrolytes with graphene nanosheets prepared by arc-discharge[J];Chinese Chemical Letters;2014年06期

中国重要会议论文全文数据库 前7条

1 李红宾;张宇峰;刘冬青;张力婉;刘晓峰;;PVDF/PPTA分子复合材料的制备及其机械性能研究[A];第十三届中国体视学与图像分析学术会议论文集[C];2013年

2 赖如伟;钟仁平;李彩梅;阙晓波;隋岩;;Synthesis and properties of molecule-based ferroic compounds[A];中国化学会2013年中西部地区无机化学化工学术研讨会论文集[C];2013年

3 李秀芬;吴杰;任月萍;;污水处理MBR工程废弃膜材料的再生利用技术研究[A];第二届膜法城镇新水源技术研讨会论文集[C];2015年

4 刘建伟;于水利;郭颖;赵文亮;;低温等离子体改性Al_2O_3/PVDF复合膜的制备及其处理采油废水性能的研究[A];第二届膜法城镇新水源技术研讨会论文集[C];2015年

5 孙丽;陈桂娥;史洪云;;碱处理对聚偏氟乙烯(PVDF)膜接枝效果的影响[A];上海市化学化工学会2014年度学术年会论文集[C];2014年

6 朱维纬;陈桂娥;黄会红;;凝胶条件对PVDF微滤膜性能的影响[A];上海市化学化工学会2014年度学术年会论文集[C];2014年

7 孟晓荣;张海珍;王磊;王旭东;赵亮;;城市污水二级出水超滤膜污染与膜特性的研究[A];饮用水安全控制会议暨中国土木工程学会水工业分会给水专业委员会第14届年会论文集[C];2015年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 艾娜;基于溶液处理的有机半导体器件及其应用[D];华南理工大学;2013年

2 林珊;纤维素抗菌膜的制备及其深度水处理研究[D];福建农林大学;2013年

3 苏欣颖;MBR膜污染解析及MFC-MBR耦合系统膜污染控制研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

4 田守勤;传感器表面纳米敏感材料微结构的调控及其气敏性能研究[D];华中科技大学;2013年

5 谭华;含芳胺或吡咯并吡咯二酮的聚合物合成及光电性能研究[D];湘潭大学;2013年

6 徐对功;基于温度梯度组合法的结晶性聚合物凝聚态结构研究[D];大连理工大学;2013年

7 于建宁;基于荧光与磷光复合的白光有机电致发光器件研究[D];上海大学;2013年

8 张平允;基于Tween80和两亲共聚物PVDF超滤膜结构调控及其性能表征[D];华东理工大学;2014年

9 蔡坤鹏;无机块体忆阻器材料的制备、结构及其电学性质研究[D];清华大学;2013年

10 李子威;多铁异质结薄膜的磁电耦合效应与电阻转变特性研究[D];南京大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 姚跃腾;电阻式存储器特性测试仪及应用研究[D];杭州电子科技大学;2011年

2 刘凯;过渡金属氧化物阻变存储器动态特性的蒙特卡洛仿真[D];天津理工大学;2013年

3 尤泽旺;降冰片烯类易位聚合物的合成及其微结构与介电性能研究[D];华东师范大学;2013年

4 佘小健;高性能有机晶体管存储器的制备及其空气稳定性研究[D];苏州大学;2013年

5 任思伟;RRAM存储单元设计[D];西安电子科技大学;2013年

6 潘丽静;PVDF/陶瓷粉体复合材料薄膜的制备及介电性能研究[D];上海师范大学;2013年

7 程慰;离子液体对PVDF共混溶液相容性及成膜形貌结构的影响[D];华南理工大学;2013年

8 张东华;聚偏氟乙烯（PVDF）/压电粉体复合超滤膜的制备与性能研究[D];上海师范大学;2013年

9 沈建平;PVB及PVDF中空纤维超滤膜的制备及其性能的研究[D];上海师范大学;2013年

10 张霖;有机薄膜晶体管传感器的制备及特性研究[D];电子科技大学;2013年

  本文关键词：有机铁电场效应晶体管型存储器研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：269243