CN111129071B - 一种有机存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有机存储器和按压监控系统及其制备方法，该有机存储器分为两个功能区，功能区A和功能区B，功能区A为用于接收和传递输入机械信号的摩擦发电功能区，功能区B为将信号进行存储的功能区。所述全柔性可穿戴按压监控系统包括用于感应和存储接触信号的有机摩擦存储器和用于读取信号的发光二极管。不同于传统存储器需要外加电源的电信号进行写入擦除，本发明的有机摩擦存储器件的写入擦除的信号为机械应力。在此基础上，本发明提出了一种可穿戴的全柔性按压监控系统，可以实时监控机密物件，记录外人对机密物件的接触并发出警示。该发明在安全监控、智能器件、人机交互系统等领域有着广泛的应用前景。
Description
本申请为201510653906.8的分案申请，原申请的申请日为2015年10 月10日，发明名称为“一种有机存储器和按压监控系统及其制备方法”。
技术领域
本发明涉及光电子领域，具体涉及一种有机存储器及其制备方法。
背景技术
有机存储器是一种有机电子器件，是功能性电子器件的一种。根据存储功能层的材料不同及相应的存储机制的不同主要分为铁电存储、聚合物驻极体存储、浮栅存储及其它存储。铁电存储是利用具有铁磁性的材料作为存储功能材料，在电压作用下铁电材料极化实现器件的写入和存储状态；聚合物驻极体器件是利用聚合物作为存储器的绝缘层，栅极电压使得聚合物驻极体发生极化而达到存储目的；浮栅存储器件基于晶体管结构，一般有两层绝缘层，远离半导体的比较厚的一层为隔离层，接近半导体的一层为隧穿层，两层之间有金属层或金属纳米颗粒作为浮栅层，在栅压作用下，载流子通过隧穿原理穿过隧穿层被浮栅层捕获并保留，进而影响了沟道电流的大小而实现存储。有机存储器由于使用有机材料，材料选择范围广泛，具有成本低，可制备轻质量、柔性器件而受到了广泛关注。
目前，电子器件正向着小型化、便携化和功能化发展。但由于有机存储器通常需要外源电源输入电压来实现存储，这无疑有碍于它向小型便携的发展。
摩擦发电机是近年来研究热点之一，将平时生活中随处可见的摩擦起电和静电感应原理应用到了实际发电中。利用两个具有不同电负性材料的接触分离，来实现电荷分离并形成电势差。通过电极导出，可以将机械信号转换为电信号，为电子领域的发展开辟了新的方向。
发明内容
本发明要解决的技术问题是利用摩擦发电层代替外源输入电压，制备无需外源电压即可写入擦除的新型有机电子存储器件，同时利用光敏半导体特性，实现功能高度集成化的便携式多功能存储器件。
本发明提供一种有机存储器，包括：功能区A和功能区B，其中功能区 A为接收和传递输入机械信号的摩擦发电层，功能区B为存储信号的存储层。
本发明还提供一种全柔性可穿戴按压监控系统，包括：上述有机存储器，用于感应和存储按压信号；柔性有机发光二极管，与所述有机存储器耦合，用于读取显示存入的信号；其中，按压的信号由有机存储器的摩擦发电层(功能区A)感应，并将其转为静电势能，施加在有机存储层(功能区B)上，信号被有机存储层存储，存储的信号影响有机存储层(功能区B) 源漏沟道电流的大小，从而影响所述二极管的亮度变化。
本发明还提供一种柔性的浮栅结构的有机存储器制备方法，包括如下步骤：首先清洗两片柔性PET基底，在其中一片PET基底为上基底的一面溅射150nm的ITO层，另一面溅射100nm的Cu，ITO层利用光刻方法制备栅极；在另一个PET基底上制备一层100nm Cu其上覆盖100um聚氯乙烯(PVC)层；PVC正对第一片基底的Cu层；在上基底的ITO层上磁控溅射Ta2O5，氧氩气比例为3:7；湿法旋涂一层20纳米的PMMA层，之后溅射2nm 金属Ta，再旋涂一层20纳米的PMMA层；70摄氏度热处理1小时之后，真空蒸镀一层45nm的并五苯；利用掩膜，真空蒸镀45nm的金电极作为源电极和漏电极。
本发明还提供一种有机光敏摩擦存储器制备方法，包括如下步骤：清洗两片有机玻璃，其中一片有机玻璃基底为上基底；在其一面溅射150nm 的ITO层，另一面溅射100nm的Cu，ITO层利用光刻方法制备栅极；在另一个有机玻璃基底上制备一层100nm Cu其上覆盖100um聚氯乙烯(PVC) 层；PVC正对第一片基底的Cu层；在上基底的ITO层上磁控溅射Ta2O5，氧氩气比例为1：1；真空蒸镀一层45nm的并五苯。之后利用掩膜，真空蒸镀 45nm的金电极作为源电极和漏电极。
本发明还提供一种全柔性可穿戴按压监控系统制备方法，包括如下步骤：利用上述方法制备有机存储器；在柔性PET基底上光刻ITO电极，之后利用真空蒸镀的方法，在基底上沉积50nm NPB作为空穴载流子的传输层；再继续利用真空共蒸方法，蒸镀50nm Alq3；之后，利用真空蒸镀的方法蒸镀50nm的Mg-Ag(10:1)电极，而后蒸镀150nm Ag电极。
本发明涉及的基于浮栅结构的有机摩擦存储器和有机光敏摩擦存储器是新型器件，不同于传统意义需要外源电压来写入擦除的存储器，它们以外部的机械按压信号代替栅极电压实现存储，不需要外界电压，是一个主动型的自驱动器件。制备工艺简单，可大实现大面积高密度功能化集成，可以极大地实现功能集成化同时降低成本，能实现小型便携化，另外还可以制备成柔性器件，应用于全柔性可穿戴设备，在未来智能器件、可穿戴电子设备和人机交互设备中具有广阔应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为有机摩擦存储器结构示意图(两种连接方式)；
图2为功能区A(摩擦发电层)示意图；
图3为功能区B之浮栅结构有机存储器层示意图；
图4为功能区B之有机光敏存储层示意图；
图5为浮栅结构有机摩擦存储器的按压存储特性；
图6为有机光敏摩擦存储器的光敏和按压光敏存储特性；
图7为一种全柔性可穿戴按压监控系统的电路示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明的有机摩擦存储器结构示意图如附图1所示，包括功能区A和功能区B。功能区A为摩擦发电层，功能区B为有机存储层。摩擦发电层的两个电极层分别与有机存储层的栅极和源极相连接，左右图分别为两种连接方式。
功能区A摩擦发电层具有两个基底，两个电极，和两个摩擦层(其中一个摩擦层可以同时为电极)，如图2所示。
21和26为基底，可以采用硬基底，如有机玻璃，或者柔性基底，如聚对苯二甲酸乙二醇酯PET；
22和25为电极层，其材料可以采用Cu等；
23和24为摩擦层，其材料可以选用具有不同电负性的金属，聚合物材料等，金属可以为Ag等，聚合物材料可以为聚氯乙烯(PVC)等。其中，如果一种采用金属，则可以省略上述的22或25电极层之一；
图1的功能区B的有机存储层可以为浮栅结构有机存储层或有机光敏存储层；
功能区B之浮栅结构有机存储层示意图如图3，包括带有栅电极的基底，源电极和漏电极，隔离绝缘层，隧穿绝缘层，浮栅，和有机半导体层。
31为带有栅电极的基底，可以为镀有ITO的玻璃基底或者为镀有ITO 的柔性基底，如PET基底。
32为隔离绝缘层，可以采用单一材料，如聚合物材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，或者采用复合绝缘层，使用金属氧化物和聚合物复合，如五氧化二钽Ta2O5和PMMA复合；
33为浮栅层，可以为Ta、Au等金属；
34为隧穿绝缘层，可以使用聚合物材料，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚苯乙烯(PS)等；
35为有机半导体层，可以使用P型或N型有机半导体，如并五苯、C60 等；
36为源电极和漏电极，可以使用金、银等金属，或者ITO等透明电极材料；
实施例2
图4为功能区B之有机光敏存储层示意图，包括带有栅电极的基底，源电极和漏电极，绝缘层，和有机光敏半导体层。
41为带有栅电极的基底，可以为镀有ITO的玻璃基底或者为镀有ITO 的柔性基底，如PET基底。
42为绝缘层，可以聚合物材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，或者采用金属氧化物，如五氧化二钽Ta2O5；
43为有机光敏半导体层，可以使用并五苯等；
44为源电极和漏电极，可以使用金、银等金属，或者ITO等透明电极材料；
实施例3
图5为浮栅结构有机摩擦存储器的按压存储特性，其工作原理如下(以 P型半导体，浮栅捕获电子为例)：
当没有外界作用力的时候，摩擦层相互分离，此时栅源之间电压为零。当有一个外界作用力的时候，摩擦层相互接触摩擦，由于静电作用，一层带有正电荷，另一层带有负电荷，产生静电势能，此时相当于施加给存储器层一个正的栅极电压，在这个正电场作用下，半导体中电子进入浮栅层被捕获，半导体中留有多余空穴，沟道电流上升，实现信号写入，此时电流曲线右移。外力撤去后静电势能消失，但电子仍然保留在浮栅层中，会存储一定时间。通过改变摩擦发电功能区的电极层和有机存储功能区的栅极和源极的连接方向，再次按压会施加一个反向电场，使得捕获的电子重新回到半导体层中与空穴复合，沟道电流减小，电流曲线回复到原位，实现信号擦除。
图6为有机光敏摩擦存储器的光敏和按压光敏存储特性，其工作原理如下(以P型光敏半导体为例)：
在没有光的作用时，源漏沟道未开启，源漏电流(IDS)较小。在光照下，具有光敏性质的有机半导体层吸收光子，产生光生激子，激子迅速分裂成为电子-空穴对，而分裂后的电子被绝缘层、绝缘层和有机半导体层的界面或者有机半导体中的缺陷捕获，剩余的空穴则增加了导电沟道内的载流子浓度，源漏沟道开启，IDS因此增大，器件即完成了光写入的过程，这个电流可以保持一定时间。如果施加一个外界作用力，是的摩擦层相互接触而产生静电势，在这个电场作用下，电子更容易被缺陷捕获，半导体中剩余的空穴更多，此时IDS更大，电流曲线右移幅度更大。而改变摩擦发电层与存储层的连接方向，在暗室条件下施加作用力，施加一个反向电场，可以将捕获的载流子再释放，与空穴复合，IDS因此减小，电流曲线回复，即完成了擦除过程。由此实现了光信号写入，按压辅助光信号写入的多信号存储过程。
实施例4
图7为为一种全柔性可穿戴按压监控系统的电路示意图，包括按压信号的感应和写入存储(及复位)系统，此部分由有机摩擦存储器承担，以及存储的信号的输出部分，此部分由一个发光二极管承担。按压的信号由有机摩擦存储器的摩擦发电层(功能区A)感应，并将它转为静电势能，施加在有机存储层(功能区B)上，信号被后者存储，存储的信号会影响有机存储层(功能区B)源漏沟道电流的大小，从而影响连接在之上的发光二极管的亮度变化，以此来给予警示作用。
实施例5
制备一种柔性的浮栅结构的有机摩擦存储器，其制备工艺步骤如下：
首先清洗两片柔性PET基底，在其中一片PET基底为上基底的一面溅射150nm的ITO层，另一面溅射100nm的Cu(作为功能区A中的一个电极)，ITO层利用光刻方法制备栅极。在另一个PET基底上制备一层100nm Cu(作为功能区A中的另一个电极)其上覆盖100um聚氯乙烯(PVC)层。 PVC正对第一片基底的Cu层。由此制备完成摩擦纳米发电机层。在上基底的ITO层上磁控溅射Ta2O5，氧氩气比例为3:7。而后湿法旋涂一层20纳米的PMMA层，之后溅射2nm金属Ta，再旋涂一层20纳米的PMMA层。70摄氏度热处理1小时之后，真空蒸镀一层45nm的并五苯。而后利用掩膜，真空蒸镀45nm的金电极作为源电极和漏电极。这样，完成了一个柔性的浮栅结构的有机摩擦存储器。
其存储特性如图5所示。
实施例6
制备一种有机光敏摩擦存储器，其制备工艺步骤如下：
首先清洗两片有机玻璃，其中一片有机玻璃基底为上基底。在其一面溅射150nm的ITO层，另一面溅射100nm的Cu，ITO层利用光刻方法制备栅极。在另一个有机玻璃基底上制备一层100nm Cu其上覆盖100um聚氯乙烯(PVC)层。PVC正对第一片基底的Cu层。由此制备完成摩擦纳米发电机层。在上基底的ITO层上磁控溅射Ta2O5，氧氩气比例为1：1。而后真空蒸镀一层45nm的并五苯。之后利用掩膜，真空蒸镀45nm的金电极作为源电极和漏电极。这样，完成了一个有机光敏摩擦存储器。
其存储特性如图6所示。
实施例7
制备一种全柔性可穿戴按压监控系统，其制备工艺步骤如下：
首先制备柔性有机摩擦存储器，其制备工艺如实例1。
其次制备柔性有机发光二极管(OLED)，在柔性PET基底上光刻ITO电极，之后利用真空蒸镀的方法，在基底上沉积50nm NPB作为空穴载流子的传输层；再继续利用真空共蒸方法，蒸镀50nm Alq3。之后，利用真空蒸镀的方法蒸镀50nm的Mg-Ag(10:1)电极，而后蒸镀150nm Ag电极。这样一个柔性的OLED部件制备完成。
通过如下线路，将有机摩擦存储器和有机发光二极管相连接。有机摩擦存储器可置放于需要保护的机密文件中，而有机发光二极管作为检测系统可以穿戴于人体上。任何对于机密文件的触碰将会被记录，同时开启有机发光二极管，使其发光，提出警示作用。由于存储的信号可以保持一段时间，该发光也会随之保持。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (28)
1.一种有机存储器，其特征在于，包括：
功能区A和功能区B，用于感应和存储按压信号；
其中，功能区A为接收和传递输入机械信号的摩擦发电层，功能区B为存储信号的存储层,按压的信号由有机存储器的摩擦发电层（功能区A）感应，并将其转为静电势能，施加在有机存储层（功能区B）上，信号被有机存储层存储，存储的信号影响有机存储层（功能区B）源漏沟道电流的大小。
2.根据权利要求1所述的有机存储器，其特征在于，所述功能区A包括两个基底、两个电极和两个摩擦层，其中一个基底、一个电极和一个摩擦层依次设置组成第一发电层，另一个摩擦层、另一个电极和另一个基底依次设置组成第二发电层，所述第一发电层中的摩擦层与所述第二发电层中的摩擦层相邻，且所述第一发电层与所述第二发电层可以相对摩擦运动。
3.根据权利要求2所述的有机存储器，其特征在于，所述功能区B依次设有带有栅电极的基底、隔离绝缘层、源电极和漏电极、浮栅、隧穿绝缘层和有机半导体层。
4.根据权利要求2所述的有机存储器，其特征在于，所述功能区B依次设有带有栅电极的基底、绝缘层、有机光敏半导体层、源电极和漏电极。
5.根据权利要求2或3所述的有机存储器，其特征在于，所述有机存储器中的各个电极包括两种连接方式，其中第一种连接方式为所述功能区A中的第一发电层中的电极与所述功能区B中的源电极连接，所述功能区A中的第二发电层中的电极与所述功能区B中的栅电极连接；第二种连接方式为所述功能区A中的第一发电层中的电极与所述功能区B中的栅电极连接，所述功能区A中的第二发电层中的电极与所述功能区B中的源电极连接。
6.根据权利要求5所述的有机存储器，其特征在于，还包括：开关转换器，用于切换所述有机存储器中的各个电极的所述两种连接方式。
7.根据权利要求2所述的有机存储器，所述两个摩擦层中的其中一个同时作为电极和摩擦层。
8.根据权利要求2所述的有机存储器，其特征在于，所述基底为硬基底。
9.根据权利要求8所述的有机存储器，其特征在于，所述硬基底的材料为有机玻璃。
10.根据权利要求2所述的有机存储器，其特征在于，所述基底为软基底。
11.根据权利要求10所述的有机存储器，其特征在于，所述软基底的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯PET。
12.根据权利要求2所述的有机存储器，其特征在于，所述电极的材料为Cu。
13.根据权利要求2所述的有机存储器，其特征在于，所述两个摩擦层分别由具有不同电负性的材料制成。
14.根据权利要求13所述的有机存储器，其特征在于，所述摩擦层的材料包括金属和聚合物。
15.根据权利要求14所述的有机存储器，其特征在于，所述聚合物包括聚氯乙烯、所述金属包括Ag。
16.根据权利要求3或4所述的有机存储器，其特征在于，所述带有栅电极的基底为镀有ITO的玻璃基底或镀有ITO的柔性基底中的一种。
17.根据权利要求3或4所述的有机存储器，其特征在于，所述带有栅电极的基底为PET基底。
18.根据权利要求3所述的有机存储器，其特征在于，所述隔离绝缘层由单一材料制成，所述单一材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
19.根据权利要求3所述的有机存储器，其特征在于，所述隔离绝缘层由复合材料制成，所述复合材料包括金属氧化物和聚合物，其中所述金属氧化物为五氧化二钽，所述聚合物为聚甲基丙烯酸甲。
20.根据权利要求3所述的有机存储器，其特征在于，所述浮栅由金属材料制成。
21.根据权利要求3所述的有机存储器，其特征在于，所述隧穿绝缘层由聚合物材料制成，包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯。
22.根据权利要求3所述的有机存储器，其特征在于，所述有机半导体层为有机半导体。
23.根据权利要求3或4所述的有机存储器，其特征在于，所述源电极和漏电极由金属材料制成。
24.根据权利要求3或4所述的有机存储器，其特征在于，所述源电极和漏电极由透明电极材料制成。
25.根据权利要求4所述的有机存储器，其特征在于，所述绝缘层由聚甲基丙烯酸甲酯制成或由金属氧化物制成。
26.根据权利要求4所述的有机存储器，其特征在于，所述有机光敏半导体层由并五苯制成。
27.一种有机存储器制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
清洗两片柔性PET基底，在其中一片PET基底为上基底的一面溅射150 nm的ITO层，另一面溅射100 nm的Cu，ITO层利用光刻方法制备栅极；
在另一个PET基底上制备一层100 nm Cu 其上覆盖100 um聚氯乙烯（PVC）层；
PVC正对第一片基底的Cu层；
在上基底的ITO层上磁控溅射Ta2O5，氧氩气比例为3:7；
湿法旋涂一层20纳米的PMMA层，之后溅射2nm 金属Ta，再旋涂一层20纳米的PMMA层；
70摄氏度热处理1小时之后，真空蒸镀一层45nm的并五苯；
利用掩膜，真空蒸镀45 nm的金电极作为源电极和漏电极。
28.一种有机存储器制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
清洗两片有机玻璃，其中一片有机玻璃基底为上基底；
在其一面溅射150 nm的ITO层，另一面溅射100 nm的Cu，ITO层利用光刻方法制备栅极；
在另一个有机玻璃基底上制备一层100 nm Cu 其上覆盖100 um聚氯乙烯（PVC）层；
PVC正对第一片基底的Cu层；
在上基底的ITO层上磁控溅射Ta2O5，氧氩气比例为1：1；真空蒸镀一层45nm的并五苯；
利用掩膜，真空蒸镀45 nm的金电极作为源电极和漏电极。
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