基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器及其制备方法

本发明涉及分子器件，尤其涉及基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器及其制备方法。

背景技术：

1、纳米石墨烯（nanographenes，ngs）和周位并苯（peri-acenes，pas）作为结构规整的低维碳基半导体材料，因其边缘拓扑结构的多样性，在微纳电子学和自旋电子学领域得到了较多的研究与关注。其中，具有平行锯齿形（zigzag）边缘的周位并苯存在局域化的非键π电子态（边缘态），可表现出窄带隙、开壳双自由基特性以及良好的载流子传输性能，在电子器件领域拥有良好的应用前景。然而，这类材料的锯齿形边缘具有较高的化学活性，在环境条件下较易发生氧化反应和自聚现象，造成材料本征热稳定性与化学稳定性不足，较难通过传统溶液法与加工工艺制备得到性能稳定的电子器件，这限制了其实际应用范围。

2、忆阻器（memristor）是一类非易失性存储器，在外加电场作用下能够产生可逆的电阻状态切换，表现出阻变行为。引入固态栅极结构后，可通过栅压调控实现器件的多级存储，是构建存算一体架构和神经形态类脑芯片较为关键的有源器件。近年来，随着元器件尺寸不断微型化，其综合性能稳步提升，但尺寸缩减逐渐接近物理极限，由此带来一系列负面效应，先进制程的开发难度有所上升，摩尔定律面临一定的挑战。

3、因此，如何提供兼具优异化学稳定性、高热阻、规整形貌及阻变记忆功能的分子材料，并以此构建可靠的单分子器件，已成为当前微纳电子器件领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提供基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器；本发明的第二个目的在于提供基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器的制备方法。

2、为了实现第一个目的，本发明所采取的技术方案为：

3、基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器，包括：

4、基底和固态栅极，所述固态栅极铺设于所述基底的表层中部区域；

5、第一石墨烯电极和第二石墨烯电极，所述第一石墨烯电极和所述第二石墨烯电极形成石墨烯电极对，所述石墨烯电极对铺设于所述基底的表层，且所述第一石墨烯电极和所述第二石墨烯电极分别铺设于所述固态栅极的相对两侧；

6、有机忆阻活性分子，所述有机忆阻活性分子设置于所述固态栅极之上且位于所述第一石墨烯电极与所述第二石墨烯电极之间，所述有机忆阻活性分子的两端分别通过范德华力与所述第一石墨烯电极和所述第二石墨烯电极连接；

7、所述有机忆阻活性分子为硼氮掺杂并五苯三聚体，结构式如下所示：

8、。

9、优选地，所述石墨烯电极对为纳米间隙电极对。

10、优选地，所述基底为硅片基底。

11、优选地，所述固态栅极包括铝栅电极及包覆于所述铝栅电极表面的氧化铪介电层。

12、优选地，还包括金属源漏电极对，所述金属源漏电极对与所述石墨烯电极对电性连接。

13、优选地，所述金属源漏电极对为双层金属结构，由铬粘附层与金导电层复合构成。

14、为了实现第二个目的，本发明所采取的技术方案为：

15、基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器的制备方法，用于制备所述基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器，包括：

16、利用第一光刻工艺和蒸镀工艺，在基底表层制备固态栅极，得到设有固态栅极的基底；

17、利用化学气相沉积工艺在所述设有固态栅极的基底的表层制备石墨烯层，得到表面覆盖石墨烯层的基底；

18、利用第二光刻工艺和刻蚀工艺将所述石墨烯层制备为石墨烯电极对，得到设有石墨烯电极对的器件；

19、将所述设有石墨烯电极对的器件浸置于有机忆阻活性分子的有机溶液中，使所述有机忆阻活性分子通过范德华力连接于所述石墨烯电极对之间，得到基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器。

20、优选地，所述有机忆阻活性分子的制备包括：

21、以为原料，利用第一偶联反应制备中间体ⅰ；

22、以所述中间体ⅰ为原料，利用第一亲电取代反应制备中间体ⅱ；

23、以所述中间体ⅱ为原料，利用第二偶联反应制备中间体ⅲ；

24、以所述中间体ⅲ为原料，利用还原反应制备中间体ⅳ；

25、以所述中间体ⅳ为原料，利用串联亲电硼化闭环反应制备中间体ⅴ；

26、以所述中间体ⅴ为原料，利用第二亲电取代反应分别制备中间体ⅵ和中间体ⅶ；

27、以所述中间体ⅵ为原料，利用硼化反应制备中间体ⅷ；

28、以所述中间体ⅶ为原料，利用硼化反应制备中间体ⅸ；

29、以所述中间体ⅷ和所述中间体ⅸ为原料，利用交叉偶联反应制备具有如下结构式的所述有机忆阻活性分子：。

30、优选地，所述有机溶液的溶剂为甲苯。

31、优选地，所述浸置的时间不少于20min。

32、本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

33、本发明提供的基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器及其制备方法，包括基底、固态栅极、石墨烯电极对以及有机忆阻活性分子。其中，固态栅极设于基底的表层中部区域；石墨烯电极对由第一石墨烯电极和第二石墨烯电极组成，二者对称布置于固态栅极彼此相对的两侧边缘、且均铺设于基底表层；硼氮掺杂并五苯三聚体有机忆阻活性分子设置于固态栅极之上且位于第一石墨烯电极与第二石墨烯电极之间，该有机忆阻活性分子的两端分别通过范德华力与第一石墨烯电极和第二石墨烯电极连接。本发明通过在并五苯三聚体的锯齿形边缘嵌入等电子硼氮（b-n）单元，一方面可有效钝化有机忆阻活性分子的高活性边缘结构，有效提升分子的化学稳定性和结构稳定性，还能打破纯碳骨架的电荷分布对称性；另一方面，在分子体系中引入局域化电子受体位点（b原子因存在空p轨道具备电子受体特性）和电子给体位点（n原子因含有孤对电子具备电子给体特性）。该基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器可通过栅压电压实现性能调控，在不同栅压条件下，通过在石墨烯电极对两侧施加偏压电压驱动硼氮掺杂并五苯三聚体分子发生可逆的电导态切换。该器件的电导态转换性能稳定、可逆性与重复性优异，且通过栅极调控可实现多级电导状态切换，成功构建具备多级存储能力的单分子忆阻器，该器件有望广泛应用于神经形态计算、类脑计算和高密度信息存储等领域。

34、本发明提供的制备方法，工艺流程简单、反应条件温和可控，有利于产业化生产，具备良好的工业应用前景。

35、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

1.基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器，其特征在于，所述石墨烯电极对为纳米间隙电极对。

3.如权利要求1所述的基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器，其特征在于，所述基底为硅片基底。

4.如权利要求1所述的基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器，其特征在于，所述固态栅极包括铝栅电极及包覆于所述铝栅电极表面的氧化铪介电层。

5.如权利要求1所述的基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器，其特征在于，还包括金属源漏电极对，所述金属源漏电极对与所述石墨烯电极对电性连接。

6.如权利要求5所述的基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器，其特征在于，所述金属源漏电极对为双层金属结构，由铬粘附层与金导电层复合构成。

7.基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至6任一项所述的基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器，包括：

8.如权利要求7所述的基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器的制备方法，其特征在于，所述有机忆阻活性分子的制备包括：

9.如权利要求7所述的基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器的制备方法，其特征在于，所述有机溶液的溶剂为甲苯。

10.如权利要求7所述的基于硼氮掺杂并五苯三聚体的分子忆阻器的制备方法，其特征在于，所述浸置的时间不少于20min。