随着信息爆炸时代的到来,目前广泛应用的基于“0”和“1”的二进制存储技术已经远远不能满足信息存储的需求。同时,传统的存储材料由于受到自身物理因素和器件制备工艺的影响,其存储密度已经几乎达到了存储极限。因此,为了满足这一严峻的要求,科学家们正在尝试突破传统二进制存储的极限,设计合成具有多进制存储性能的纳米器件。2010年,我们课题组首次制备了基于有机小分子材料的三进制电存储器件,并创新性的提出了“电荷陷阱”导电机理,为后续的设计合成多进制存储材料提供了理论基础。本论文在“电荷陷阱”机理的指导下,设计合成了一系列基于萘酰亚胺电子受体的小分子材料,并通过调节分子骨架中电荷陷阱数量、分子骨架的对称性以及电荷陷阱深度等因素来研究其对有机多进制存储器件性能的影响,主要从如下几个方面展开:(1)氰基对提升共轭分子三进制存储性能的研究:设计合成了两个小分子DPHCANA和DPCNCANA,主要考察在以萘酰亚胺和咔唑为电子给受体的共轭分子骨架中引入氰基对器件三进制性能的影响。研究发现,首先当骨架中引入氰基后,氰基和原本存在的萘酰亚胺基团形成了两个大小不一的电荷陷阱,因此基于DPCNCANA分子的器件呈现出了三进制存储性能;其次氰基的引入,分子表现出更低的LUMO能级,提升了分子的抗氧化稳定性;最后,也是最重要的是,氰基的引入强化了分子间的氢键作用,有利于分子在成膜过程中形成有序的层状堆积,极大地提高电荷在薄膜间的传输效率,降低了三进制器件功耗以及增强了器件的长效稳定性。(2)多吸电子基团协同调控实现四进制存储材料的研究:以电荷陷阱机理为指导,在分子骨架中引入2,1,3-苯并噻二唑和硝基两个吸电子能力具有适中差异的基团,形成了 A2-D-A1-D-A2结构的对称分子DNOBTDT,结果显示其具有显著的三进制信息存储功能。在此基础上通过筛选,利用相对较弱的吸电子基团萘酰亚胺取代分子骨架一端的硝基咔唑,合成了 A2-D-A1-D-A3非对称型结构的分子,因此共轭分子骨架中形成了三个显著的深浅不一的电荷陷阱,突破了共轭有机小分子的四进制存储性能,进一步验证了“电荷陷阱”机理是实现多进制存储材料的前提条件。这种逐步筛选、协同调控三个吸电子能力不一的基团在分子骨架中的分布形成四进制存储功能的材料为后续更多进制材料的开发奠定了新思路。四进制材料的实现意味着离多进制材料的应用更近了一步,因为其和目前普遍使用的二进制存储体系更加匹配,并且今后计算系统也将更加智能化,除了原来二进制系统中“是”和“否”的答案外,多进制将给计算机系统更多的选择去给出多样化的答案。(3)吸电子基团调控实现Flash型三进制存储性能的研究:在前一个体系的基础上,设计合成了以微弱吸电子基团苯并噻二唑基团为中心、以稍强吸电子基团萘酰亚胺基团在两端的具有对称分子骨架的共轭有机小分子。通过电学性能的测试,器件从OFF态到ON1态的转变表现为WORM型存储性能,而从ON1态到ON2态的转变则表现为可擦除的Flash存储类型。通过对三个导电态的Ⅰ-Ⅴ关系研究,探索不同导态的导电机理模型,分析了不同导态表现出不同存储类型的原因。这是首例基于小分子材料的具有可擦除性能的多进制存储器件,同时,这个分子在薄膜状态时表现出优异的堆积性能和规整的晶体取向,这些都有利于电荷载体的自由移动。这对于未来设计合成完全可擦除的多进制的存储器件具有重要的借鉴意义。(4)杂原子基团调控不对称分子成膜质量及器件性能提升的研究:为了改善不对称小分子的微观堆积性能比对称小分子要略差的性能,在咔唑和萘酰亚胺形成的具有D-A共轭骨架的基础上,再在分子末端引入两个具有不同氢键作用的吸电子基团,设计合成了两个具有不对称骨架的A1-D-A2型小分子。电学测试证实了基于两个分子的器件均能表现出良好的三进制存储性能。XRD、AFM以及GISAXS分析了分子在薄膜状态时的微观堆积,发现其形成了规整有序的分子微观堆积以及拥有较大体积的晶体尺寸。这些都有利于电荷载体在薄膜内分子间的移动,减小了其能垒,有助于获得性能优异的存储性能。本研究证实了通过合理的设计分子结构,不对称骨架的小分子也能形成具有高度规整的分子微观堆积,为后续的设计合成更高进制的存储器件提供了一个简单易行的方法,具有重要的借鉴意义。