功能化卟啉分子的设计及存储性能研究

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随着信息技术的飞速发展和人工智能时代的到来,现代社会对电子信息存储产品的要求也越来越高。有机场效应晶体管结构的非易失性存储器(OFET Memory)作为半导体电子器件的重要基本原件,在芯片驱动、柔性集成电路和人工神经网络等领域中表现出了可观的应用前景。因此,开发一种低成本、高性能的有机场效应晶体管存储器已然成为科研与制造行业的焦点。卟啉作为一种天然的光电功能响应有机半导体材料,因其独特的π共轭环状结构和可功能化修饰的反应优势,在有机光电子学领域发挥着至关重要的作用。鉴于此,本论文通过设计合成得到修饰了的卟啉单元分子,将其作为有机驻极体活性层应用到有机场效应晶体管存储器,并从分子结构、光学性质及能级等角度探究其存储性能的差异性,考察不同卟啉活性基团与存储器各性能指标包括存储窗口、维持时间及读写擦循环等存储性能参数之间的内在联系,揭示此类驻极体的电荷存储传输方式及存储能力。主要研究内容如下:第一部分:通过Lindsey卟啉合成方法制备了烷基化修饰的5,10,15,20-四(4-丁氧基苯基)(4OC4TPP)卟啉结构分子,并通过醋酸根金属离子与卟啉环内N-H键孤对电子配位成键,制备出5,10,15,20-四(4-丁氧基苯基)卟啉锌(Zn4OC4TPP),5,10,15,20-四(4-丁氧基苯基)卟啉铜(Cu4OC4TPP)和5,10,15,20-四(4-丁氧基苯基)卟啉钴(Co4OC4TPP)三种金属配位卟啉分子。对金属配位卟啉中光谱特性及电化学能级性质进行测试与分析,并对存储器件进行光调控状态下存储窗口、维持时间及读写擦循环等有机场效应晶体管存储器性能研究,考察不同金属配位驻极体的光擦除能力异同,揭示金属配位卟啉分子对电荷存储传输方式及存储能力的影响。第二部分:通过Lindsey法设计并合成出含有噻吩基反应活性位点的卟啉分子,在三氟化硼乙醚(BF3.Et2O)为催化剂条件下,利用芴基叔醇分子9号sp3碳位点与噻吩基卟啉进行傅克(Friedel-Crafts)反应,得到了单边修饰(Ph FOH-1Th TPP)、双边修饰(2Ph FOH-2Th TPP)、三边修饰(3Ph FOH-3Th TPP)和四边修饰(4Ph FOH-4Th TPP)的四种共轭打断的位阻型卟啉结构分子,破坏卟啉π共轭平面间的堆积聚集效应。比较了卟啉芴基分子位阻化程度在调控光谱特性及能级性质的差异,并对其有机场效应晶体管中存储性能的影响进行测量分析,考察芴基位阻化卟啉驻极体对存储性能的影响。第三部分:通过设计合成出两端含有噻吩基反应位点的卟啉分子结构,使其与sp3碳处含有两个羟基(-OH)反应位点的二聚叔醇分子进行傅克反应,在稀溶液状态下制备得到一种共轭打断、棱角分明的“口”字型芴基卟啉格分子,表现出了分离的HOMO/LUMO能级分布、刚性稳定的分子构象和纳米孔状结构。并基于卟啉及芴基位阻功能化分子的光谱与能级变化,考察特有的纳米级孔状空间结构及芴基格化卟啉分子的存储性能。
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