研究背景

随着大数据时代的到来和人工智能、云计算、生物电子等技术的发展，研发高密度、快速的数据存储设备迫在眉睫。然而，基于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 工艺微电子制造技术的传统存储技术逐渐接近摩尔定律的极限，缩小尺寸的技术复杂性和成本越来越高。电阻式随机存取存储器由于具有结构简单、易于3D集成、材料选择范围广、高耐久性和低功耗等优点，成为下一代信息存储技术的有力候选者，受到学术界和产业界的广泛关注。近年来，有机材料作为活性层的有机阻变存储器 (ORSM) 由于可溶液法大面积制备、可实现柔性、开关速度快、生物兼容，并且可通过简单的分子设计调节性能等优点被广泛研究。特别是基于分子水平的给体-受体 (Donor-Acceptor，D-A) 本体异质结结构可以在电刺激下发生电荷转移相互作用，已被广泛应用于ORSM的活性层。

成果介绍

基于此，我实验室李伟等同学在高志翔教授的指导下报道了一种基于咔唑基二氰基苯和聚 (3-己基噻吩) (P3HT) 复合材料的高开/关比ORSM。选择了具有高空间位阻和低电荷迁移率的2,4,5,6-四(咔唑-9-基)-1,3-二氰苯(4CzIPN) 和4,5-双(咔唑-9-基)-1,2-二氰苯 (2CzPN) 两种咔唑基二氰基苯分子。ORSM表现出非易失性和双极性阻变特性，开关比超过105，保持时间大于5×104 s，耐久性为150次，“SET” 电压(Vset)为−6 V，“RESET” 电压(Vreset)为3.3 V。4CzIPN和2CzPN的大空间位使P3HT与4CzIPN或2CzPN之间形成了较强的电荷转移势垒，限制了分子间相互作用，抑制了电流泄漏，从而提高了开关比。器件的阻变机理是4CzIPN和2CzPN诱导的电荷陷阱和P3HT本体中固有的陷阱的填充和去填充过程。负偏压或正偏压诱导了陷阱电荷的俘获与去俘获过程，导致器件的导电机制发生转变，从而产生阻变效应。本研究为提高ORSM的性能提供了一种新的策略，为今后ORSM的电子应用提供了便利。

图文导读

1 (a) ORSM器件结构图，(b) P3HT、4CzIPN和2CzPN的化学结构，(c) ORSM的能级结构图。

2. (a) P3HT、4CzIPN、P3HT: 4CzIPN和 (b) P3HT、2CzPN、P3HT: 2CzPN的归一化UV-vis吸收光谱，(c) P3HT、P3HT: 4CzIPN和P3HT: 2CzPN的PL谱，(d) P3HT、(e) P3HT: 4CzIPN、(f) P3HT: 2CzPN薄膜的AFM形貌图，(g, i) P3HT: 4CzIPN和 (h, j) P3HT: 2CzPN薄膜的S、N元素分布图。

3. (a) P3HT、(b) P3HT:15 wt.% 4CzIPN (Device A)、(c) P3HT:20 wt.% 4CzIPN、(d) P3HT:25 wt.% 4CzIPN、(e) P3HT:15 wt.% 2CzPN (Device B)、(f) P3HT:20 wt.% 2CzPN和 (g) P3HT:25 wt.% 2CzPN器件的I-V特性。

4. 器件的 (a, d) 耐久性测试、(b, e)保持性测试和 (c, f) 读脉冲稳定性测试，(a−c) Device A，(d−f) Device B。

5. (a, b) Device A和 (c, d) Device B在 (a, c) Sweep 1和2、(b, d) Sweep 3和4的I-V特性拟合结果，(e) Device A和Device B在HRS和LRS的Nyquist图，(f) LRS中器件阻抗的虚部与频率的关系图。

6. 器件的阻变机理示意图：(a)陷阱填充阶段、(b)陷阱填满阶段、(c)陷阱去填充阶段、(d)空陷阱阶段、(e)电流泄漏的电荷转移过程和 (f) 高电荷转移势垒示意图。

文献信息

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Li Wei, Zhu Huiwen, Sun Tong, Qu Wenshan, Fan Xiaxia, Gao Zhixiang*, Shi Wei*, Wei Bin. High On/Off Ratio Organic Resistive Switching Memory Based on Carbazolyl Dicyanobenzene and a Polymer Composite. Journal of Physical Chemistry C, 2022, 126, 12897 – 12905. 文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.2c03641