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2019年5月25日
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国际权威期刊《JPCL》报道电子科学与工程学院本科生裴梦皎关于超低能耗、低压有机铁电存储器件的研究成果

近期,以电子科学与工程学院2015级本科生裴梦皎与2016级博士生钱君为共同第一作者,李昀教授与王启晶博士为共同通讯作者的论文“pJ-Level Energy-Consuming, Low-Voltage Ferroelectric Organic Field-Effect Transistor Memories”,刊发在美国化学会旗下的物理化学领域国际权威期刊《The Journal of Physical Chemistry Letters》上(J. Phys. Chem. Lett., 10, 2335–2340, 2019; 论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.9b00864)。这项工作不仅为深入研究低能耗器件界面与器件物理等关键科学问题打下坚实的前期研究基础,并将为进一步探索实现高性能多功能化的有机铁电场效应存储器件及其电学特性调控提供新的思路。同时,裴梦皎同学以一名大四本科生的身份发表高水平论文,也从一个侧面反映了电子科学与工程学院重视本科教学和人才培养工作,率先实施“翻转课堂”等信息时代的教学改革、举办“信息电子学前沿实验”课程取得的成效。

现代电子科技的发展对于信息存储的速度、能耗和集成密度提出了越来越高的要求。近年来,有机铁电晶体管(Fe-OFET)型存储器由于具有工艺简单、存储速度快、非破坏性读取等特点而成为了下一代高密度、非挥发性存储器的有力竞争者。构建高性能、低能耗、稳定性可靠的铁电晶体管型存储器是尤为重要的发展趋势。目前,相关器件的研发仍然存在能耗过高的问题,主要表现在高操作电压和缓慢的数据转换速度。而二维有机晶体与超薄铁电薄膜的独特材料特性将对改善晶体管型存储器的电学性质具有有利作用,因此,超薄有机功能薄膜对于有效降低器件的工作电压、增强载流子注入效率、实现存储状态高速转换从而构建超低能耗铁电存储器件的重要意义。

在这项工作中,研究团队采用超薄有机功能薄膜实现了超低能耗低压铁电有机晶体管型存储器。在器件中以超薄铁电聚合物及高介电常数介电层的复合薄膜作为栅绝缘层,并通过反溶剂辅助结晶法在超薄铁电层上制备了高质量的超薄有机半导体薄膜作为导电沟道。系统的物性表征显示室温下未经热处理的铁电聚合物晶态薄膜在准二维的尺寸极限下具有极好的结晶性与铁电性,并保证器件界面的高质量接触并大幅降低工作电压至5 V。同时,在该器件结构下,大面积连续均匀且分子排列高度有序的高质量有机半导体薄膜有利于得到优异的电荷载流子输运特性;此外,其超薄特性将使得器件整体接触电阻大幅减小,从而进一步提高载流子的注入,保证在晶体管型存储器的导电沟道中形成快速的电荷积聚与耗尽,从而诱导数据存储信息的高速转换,提升存储器件的操作性能。研究结果表明,基于超薄有机功能材料的晶体管器件的载流子迁移率、接触电阻和亚阈值摆幅等关键性能得到了全面优化。器件尤其表现出仅为pJ量级的能量损耗(写入:~1.2 pJ/bit; 擦除:~1.6 pJ/bit; 开状态读取:~1.9 pJ/bit;关状态读取:~0.2 fJ/bit),低于传统由体薄膜构建的晶体管型存储器消耗能量的0.1%。因此,基于超薄有机功能薄膜构建并实现的超低能耗低压铁电晶体管型存储器将为未来面向可穿戴便携式消费类电子产品的应用奠定可靠的器件基础。

图1. 基于超薄有机功能薄膜材料的有机铁电晶体管型存储器展现出超低能耗、低压的优异器件特性。

该研究成果受到江苏省自然科学基金优秀青年项目(BK20170075),江苏省“青蓝工程”项目、国家自然科学基金面上项目(61774080, 61574074),博士后创新人才支持计划(51861145202)的支持。

(电子科学与工程学院 科学技术处)

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