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有机场效应晶体管非易失性存储器具有低成本、非破坏性读取、高密度存储、易于集成、大面积制备、与柔性衬底兼容等优点,已成为国际研究热点之一。本论文以极化型和浮栅型有机场效应晶体管非易失性存储器为研究对象,以优化存储器的核心体系为重点研究内容,以提升存储器的性能参数为研究目标,从材料选择、结构设计、制备工艺、界面调控、物理机制以及存储性能等方面进行了研究。研究结果不仅为提升存储器品质提供了新的思路和方法,而且为发展新的有机场效应晶体管存储器技术提供了重要的依据和策略。主要研究内容和成果如下:1.设计并制备了以可极化的聚合物NPx作为存储介质的一系列有机场效应晶体管存储器,分别构建了基于NPx单层、CL-PVP/NPx双层、NPx/PMMA双层和CL-PVP/NPx/PMMA三层复合栅介质层的核心体系,并研究了其与器件的存储性能之间的关联性。探讨了聚合物NPx组分和薄膜形貌对存储特性的影响,寻找了影响存储性能的关键机理,从而建立了不同的复合栅介质核心体系,提升了极化型有机场效应晶体管非易失性存储器的性能。实验数据表明聚合物NPx中的羟基（-OH）含量越高,可逆的残余极化越大,器件的存储窗口越大,存储开关比越高,研究结果证实了有机场效应晶体管存储器的存储机制源自于聚合物NPx中羟基的可逆性极化效应。另一方面,聚合物栅介质层NPx的栅极泄露电流引起了较为明显去极化效应,这导致了基于单层NPx栅介质层的存储器的数据存储保持能力较差。基于聚合物NPx作为核心体系的有机场效应晶体管存储器的存储机制及致使数据存储保持能力差的原因分析,提出了通过显著抑制栅极泄露电流以延长电荷存储保持能力的策略,依次设计并制备了不同结构的双层和三层聚合物栅介质层体系,研究其与有机场效应晶体管存储器的存储性能之间的关联性,研究结果验证了提升器件存储性能的策略。器件结构优化的有机场效应晶体管存储器呈现出较高的存储性能,其存储窗口为33.7 V,平均存储开关比高至1.1×104;在实际进行的1万秒的数据存储保持能力测试期间,其二进制存储状态清晰可辨,稳定可靠的擦写循环超过200次。研究结果为进一步提升以可极化的高分子聚合物栅介质层为核心体系的极化型有机场效应晶体管存储器的性能参数提供了有效的理论和实验依据。2.设计了一体化的浮栅/隧穿层用于研制高性能的浮栅型有机场效应晶体管非易失性存储器。基于同步热蒸镀工艺,构建了由小分子半导体C60和长链烷烃分子TTC组成的一体化的浮栅/隧穿层核心体系,其中C60作为浮栅介质,TTC作为隧穿层。采用原子力显微镜技术表征了一体化的浮栅/隧穿层的微结构,分析讨论了其与有机场效应晶体管存储器的性能之间的关联性,优化了一体化的浮栅/隧穿层的厚度和组分,获得了具有高稳定的数据存储保持能力和可靠的擦写循环特性的浮栅型有机场效应晶体管存储器。结果表明:在制备的一体化的浮栅/隧穿层中,小分子半导体C60自发性聚集为纳米粒子,均匀地分散在TTC中;C60纳米粒子具有强的电荷俘获能力,其密度决定了有效的电荷存储数量;同时,在优化的一体化浮栅/隧穿层中,TTC有效阻止了存储的电荷在C60纳米粒子之间的横向和纵向泄露,显著提升了电荷存储的保持能力。此外,优化的C60/TTC厚度组分的存储器,其在保证功耗最低的同时,获得较大的存储窗口和较长的数据存储保持时间,其平均存储窗口为8.0 V;在实际测试的1万秒内,电荷存储保持特性非常稳定,理论拟合数据表明电荷存储时间可长达10年;稳定可靠的擦写循环超过100次。器件结构突破了传统的浮栅层/隧穿层的双层栅堆叠的结构设计,简化了浮栅型有机场效应晶体管存储器的制备工艺。3.构建了溶液旋涂工艺制备的聚合物半导体F8BT与聚合物绝缘材料PS一体化浮栅/隧穿层,并叠加真空热蒸镀工艺制备的pn异质结有机半导体有源层为核心体系,获得了高性能的柔性浮栅型有机场效应晶体管非易失性存储器。结果表明:F8BT纳米粒子能有效俘获电荷,承担了浮栅介质的角色。基于自发的相位分离,F8BT纳米粒子能均匀地镶嵌于PS中,二者的混合比例与一体化浮栅/隧穿层的微结构有直接关联性。研究了一体化浮栅/隧穿层的微结构和表面形貌对器件存储性能的影响,获得了最佳结果。在此基础上,结合有机半导体的能级理论与实验数据,阐述了分别采用单一有机半导体和pn异质结有机半导体作为有源层对器件存储性能产生显著差异的物理机制。结果表明:采用pn异质结有机半导体作为有源层,能够很好的实现双极性电荷以过饱和覆写的方式注入并存储在F8BT浮栅内,且存储电荷的极性与数量是可控的。器件结构优化的有机场效应晶体管存储器呈现出较高的存储性能,平均存储窗口为21.6 V;基于实验数据,模拟结果表明稳定的电荷存储保持时间长达10年,以及在200个周期内具有可靠的擦写循环稳定性。有机场效应晶体管存储器还具有优异的机械弯曲耐用性,在弯曲曲率半径为5.9 mm时,经过6000次弯曲后,存储器仍保持良好的存储稳定性。器件核心体系的设计方案能为进一步提升有机场效应晶体管非易失性存储器的电荷存储容量、数据存储保持时间及工艺制备提供优化设计策略。研究成果为进一步提升有机场效应晶体管非易失性存储器的性能及发展新的柔性浮栅型有机场效应晶体管存储器的技术提供了理论基础和技术支撑。4.结合有机半导体的电荷存储效应与光电特性,在单个有机场效应晶体管存储器中同时获得了具有三级存储特性和光敏特性的多功能器件。构建了基于有机半导体F8BT和绝缘聚合物PS的一体化浮栅/隧穿层的核心体系,探究了光生电荷在有机半导体C10-DNTT与F8BT中产生、转移及存储等物理过程,及其与存储器的不同存储状态之间的关联性和可控性。研究发现,有机/聚合物半导体的光电特性对存储在浮栅的电荷极性和数量有显著的影响;定义合适的擦/写条件,能够实现存储电荷的极性和数量的可控性,由此获得三级非易失性存储功能。结果表明:三级浮栅型有机场效应晶体管非易失性存储器具有良好的存储性能,场效应迁移率大于1.0 cm2/Vs;可靠的三态擦写循环超过100个周期;基于实验数据,模拟结果表明稳定的三态保持时间超过10年。此外,利用光生电子在浮栅中的存储效应,进一步制备了16×5阵列的浮栅型有机场效应晶体管存储器构建的成像系统,清晰地探测了并持久地记录了发生的光照事件。我们的研究工作有望发展出一种新型的具有信息存储功能的光敏传感阵列或形成具有光传感功能的信息存储单元。