基本信息
- 项目名称：
- 基于石墨烯导电薄膜的有机电存储器件制备与性能初探
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 石墨烯导电薄膜在电子器件方面的应用对于电子信息工业革命有着重大意义，其成为显示、存储等领域新兴材料并有望代替其他信息材料（Si，ITO等）。我们应用低温肼还原和高温热退火方法制备还原的氧化石墨烯薄膜，将还原的氧化石墨烯导电薄膜和体异质结概念应用到电存储器件中，制备出结构rGO/P3HT:PCBM /Al的体异质结聚合物存储器，该半导体器件呈现一次写入多次读取（WORM）的存储功能。
- 详细介绍：
- 石墨烯由于独特二维平面结构和电学特性成为近年来物理与化学领域的热点之一，其优异的电子迁移率和导电率等物理特性让其在有机电子及微电子领域有着广泛的应用前景。当前，石墨烯及其导电薄膜的制备与性能研究成为科学家的一个主要研究方向，氧化石墨烯因具有宏量制备、产率高、功能多样化，合成路径简单的优点，基于还原氧化石墨烯及其薄膜的制备、性能及应用研究倍受人们的关注。结合当前化学还原氧化石墨烯薄膜制备石墨烯导电薄膜技术的优缺点，提出低温肼湿润还原法和多层叠加技术得到高导电的石墨烯薄膜；应用高温热退火法和剥离转移技术得到高透明，柔性的石墨烯导电薄膜。廉价，透明，稳定性高以及柔性的导电薄膜在光电功能器件领域有着潜在应用。我们首次将rGO导电薄膜和体异质结概念应用到有机电存储器件中，设计和制备一种结构为rGO/P3HT:PCBM/Al体异质结聚合物电存储器件。该器件的电流电压曲线呈现电学双稳态特性，它具有一次写入多次读取功能。该器件具有十万的开关比和0.5-1.2V的电转换电压，它们的值取决于rGO电极的方块电阻。当前有机电存储器而言，具备热稳定性高并具有优异电双稳态或多阶存储特性，通过器件设计实现了WORM功能, 很好地丰富和突显有机电存储的技术优势和成本优势。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.设计发明目的和基本思路 有机电存储器作为当代新兴存储技术之一，具有低成本、易加工、小体积、快响应、低功率、高存储密度等优点。而传统的金属氧化物电极材料资源少，价格高和脆性等问题限制有机电存储器的应用。石墨烯具有独特的电学性能、优异的力学性能和机械延展性、良好的热稳定性与化学稳定性，是制备高性能导电薄膜的理想替代者。本着低价格、高产率及性能优的设计宗旨，应用低温肼湿润还原法和高温热退火法得到石墨烯导电薄膜。廉价，透明，稳定性高以及柔性的导电薄膜在光电功能器件领域有着潜在应用。 2.创新点 1）发展一种低温肼湿润高效还原氧化石墨烯薄膜技术，并提出“有效还原深度”的概念，用于评价肼还原的能力，由此发展多层叠加还原技术。同时，采用高温热退火与剥离转移方法制备高透明石墨烯导电薄膜，该薄膜制备技术具有环境友好，制备简单，低成本及宏量制备的优点，适合大面积推广。 2）我们将rGO薄膜和体异质结概念应用于有机电存储器中，构建rGO/P3HT:PCBM/Al三明治型聚合物电存储器件。 3.技术关键和主要指标 低温肼湿润高效还原氧化石墨烯薄膜的电导率高达2600S/m，同时，采用高温热退火与剥离转移方法制备高透明柔性石墨烯导电薄膜的方块电阻约为3.9k ohm/sq 时透光率为75%（550nm），而且基于PET的石墨烯薄膜在大的弯曲角度下依然保持较高的导电性能。电流电压曲线显示该器件具有WORM存储功能，并具有十万级的电流开关比和低至0.5-1.2V开关阈值电压。
科学性、先进性
- ⑴ 本项目采用肼润湿法还原氧化石墨烯薄膜。在成膜工艺方面，氧化石墨烯薄膜利用真空抽滤而成，该方法具有成膜均匀、薄膜厚度精确可控的优点。在还原方法上，相比于肼蒸气法，肼润湿法还原程度更高；相比于薄膜沉浸溶剂中还原，肼润湿后薄膜与衬底之间不易产生剥离现象；相比于高温热退火还原，肼润湿法的还原温度仅为100℃，可用于柔性衬底的石墨烯薄膜制备，对实验室条件要求更低。 ⑵ 本项目中采用旋涂工艺和高温热退火方法成功制备高透明柔性石墨烯导电薄膜，并通过剥离转移技术获得柔性高透明导电薄膜。该方法具有薄膜制备过程简单，薄膜面积可调控，不涉及有毒溶剂及材料，安全绿色环保，适合大面积推广。 ⑶ 设计器件结构为rGO/P3HT:PCBM/Al，该器件呈现一次写入多次读取存储功能，该半导体器件具有十万的电流开关比和0.5-1.2V开关阈值电压。该有机电存储器的非易失性及不可擦除功能使得它在数据存储方面有潜在的应用价值。另外，WORM功能也让其在电子标签以及射频识别方面有着诱人的前景。
获奖情况及鉴定结果
- 期刊论文 1.Bulk Heterojunction Polymer Memory Devices with Reduced Graphene Oxide as Electrodes. ACS NANO 2010, 4(7),3987-3992.(IF=7.493) 2.Multilayer Stacked Low-Temperature-Reduced Graphene Oxide Films: Preparation, Characterization, and Application in Polymer Memory Devices. Small 2010,6(14), 1536-1542.(IF=6.171) 2010年11月获本校“创新杯”学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 现场演示，样品，图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1) 有效地针对石墨烯薄膜的导电性，创新性的使用肼润湿还原法，在实验室温和条件下有效地降低薄膜的表面方阻，与传统高温退火等方法相比，能耗少、效率高。 2) 高温热还原GO薄膜并通过剥离转移法将rGO薄膜转移到PET衬底,从而制得柔性、透明石墨烯导电薄膜，实现了柔性导电薄膜的突破。 3) 当前市场对于电子产品需求量大，对电极的要求越来越高，与ITO相比，石墨烯原料资源丰富、价廉物美，制备工艺简单;其作为柔性透明导电薄膜，在太阳能电池、有机显示、触摸屏等领域有广泛的应用前景,有望代替传统的导电材料（ITO）。 4) 将石墨烯导电薄膜与体异质结概念应用于有机电存储中，结构为rGO/P3HT:PCBM/Al的有机电存储器呈现WORM特性，其结构简单低成本、易加工、小体积、高电流开关比、低的阈值电压，在电子标签和射频识别有着潜在应用价值。值得关注的是，该器件在柔性存储方面有着潜在应用前景。
同类课题研究水平概述
- 1. 有机电存储 有机半导体器件具有质量轻，可柔性制备、性能可设计性强以及价格便宜等优点，在能源转换与降耗、绿色环保以及低碳经济领域有着极其诱人的应用。有机电存储器的一般结构为三明治型二极管即金属电极/有机功能层/金属电极。目前，具有电双稳态特性的有机功能材料主要可以分为有机小分子材料、聚合物、金属有机配合物以及有机无机纳米杂化材料四种类型，广泛应用于二极管的两个对称或非对称电极材料只要有Al、Cu、铟锡氧化物（ITO）、p或n型搀杂硅。作为电子给受体体系之一，基于P3HT:PCBM体异质结型材料被广泛应用于光电能量转换，然而体异质结型材料电双稳态特性的研究还少见报道。在另一方面，基于传统电极材料的金属或金属氧化物，由于存在脆性，成本高以及相关稀有金属含量有限的不足，研发一种可替代电极对于制备二极管型电存储器件意义重大。 2. 石墨烯导电薄膜 2.1 石墨烯的制备方法 当前制备石墨烯的方法包括微机械剥离、外延生长、溶剂热、液相分离及还原氧化，在这些方法中，微机械剥离法存在着薄膜形状难控、薄膜均匀性差与制备效率低等不足。相对机械剥离法，外延生长法不仅成膜质量高，薄膜的电导率和石墨具有可比性，同时薄膜的形状和厚度也可以进行控制。但是，该方法的不足之处在于薄膜的制备过程复杂，成膜成本比较高。还原氧化石墨烯方法具有产率高与成本低的突出优点，适合在任意衬底表面制备大面积且厚度可调的导电薄膜，倍受人们青睐。 2.2 氧化石墨烯薄膜的还原方法 通常利用化学试剂还原和高温热退火还原高导电石墨烯薄膜。对于肼蒸汽还原时还原温度温和，适合低温制备石墨烯导电薄膜，特别是基于柔性衬底的石墨烯薄膜，但其还原后薄膜的整体导电性能提高不明显。对于肼液还原，常温下还原效果不明显，,此外肼液还原还会产生薄膜剥离。高温退火通过超高温对氧化石墨烯进行石墨化，具有还原程度高及薄膜导电性好的突出优点，但高温退火的超高温条件不适合柔性聚合物衬底薄膜的制备，而且这种超高温度对实验条件要求苛刻，不适合大范围的推广。 综上所述，制备大面积、低成本、高质量石墨烯导电薄膜（特别是柔性石墨烯透明导电薄膜）将是今后导电薄膜领域的研究重点之一。
