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CN1267389A - 电可寻址无源器件,电寻址该器件的方法以及所述器件和方法的使用 - Google Patents

电可寻址无源器件,电寻址该器件的方法以及所述器件和方法的使用 Download PDF

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Abstract

一种用于数据记录、存储和/或处理的电可寻址无源器件,包含一种如层状连续的或图形的结构(S)形式的可以产生物理或化学状态变化的功能媒质(1),功能媒质(1)由互相独立的可寻址单元(2)组成,其代表一个被记录的或被检测的值或是赋予单元的一个预置的逻辑值。单元(2)处于接触单元(2)中功能媒质的电极组(E)中的阳极(3)和阴极(4)之间并引起它们的电耦合,功能媒质具有非线性的阻抗特征,由此单元(2)能够直接地用影响单元状态变化的能量供给。在用于无源器件的电寻址方法中,其中寻址包含对指定给单元之逻辑值的写、读和开关的检测、记录和其它操作的操作,电能量直接加到单元的功能媒质,以便改变其状态并因此有效进行寻址操作。本发明用在光检测器件、体数据存储器件或数据处理器件中。

Description

电可寻址无源器件，电寻址该器件的方法 以及所述器件和方法的使用
本发明涉及一种数据记录、储存和/或处理的电可寻址无源器件，其中该器件由连续的或图形结构的层状功能媒质组成，其中该功能媒质在受到合适的能量影响时会产生物理或化学状态的变化，其中功能媒质组成二维图形式的互相独立的可寻址无源单元，并且其中每个单元中给定的物理或化学状态代表一个被记录或被检测的值或者被指定为单元的预置逻辑值，以及涉及电选址用于数据的记录、储存和/或处理的无源器件的方法，其中该器件由连续的或图形结构的层状功能媒质组成，其中该功能媒质在受到合适的能量影响时会产生物理或化学状态的变化，其中功能媒质组成二维图形式的互相独立的可寻址无源单元，并且其中每个单元中给定的物理或化学状态代表一个被记录或被检测的值或者被指定为单元的预置逻辑值，其中选址包括检测在单元中已记录或检测的值；对指定给单元的逻辑值进行写入、读出、擦除和开关的附加操作；并且其中该方法包括对单元的功能媒质直接提供电能以检测或改变单元的物理或化学状态，从而完成寻址操作。
本发明还涉及电可寻址无源器件的使用以及该器件电寻址的方法。
本发明尤其涉及可用作ROM型、WROM型的数据存储或可对存储数据进行多次擦除和写入的逻辑器件，以及用纯电子学方法对这些存储器进行寻址的方法。
本发明特别涉及数据存储器的寻址，其中存储器媒质实质上由有机材料组成，寻址发生在与存储媒质直接或间接接触的导电体无源矩阵上。
当前，电子学寻址或例如用于数据存储或处理的逻辑器件无疑是无机固态技术，并且特别是晶态硅器件的同义词。虽然这类器件本身在技术上和商业上是非常成功的，但它们仍有许多缺点。特别是这些器件的构造复杂，导致高成本和数据存储密度的损失，在基于无机半导体材料的易失性半导体存储器的大的子群中，为了保持所存储的信息，电路系统必须不断地提供电流，引起发热和高的电能消耗。另一方面，非易失性半导体器件虽然避免了这个问题，但降低了数据速率，又伴生了高的功耗和更大的复杂程度。许多不同结构已用于基于半导体材料的存储器芯片，这反映对不同任务使用专门芯片的倾向。在一个平面中，存储位置的矩阵寻址是简单的，并且由于电寻址的线数合理，其是一种实现大量存取器地址的有效方法。在每个方向有n条线的方形栅格中，存储位置为n2。以这种或那种形式，这是当前大量固态半导体存储器工作的基本原则。然而，在这类情况中每个存储位置都必须配置经过栅格节点与外部通信的专用电子电路和易失性的或非易失性的存储元件，其典型的是电荷存储单元。
在本领域，已提出了若干用于实现基于使用有机存储媒质的可寻址无源存储单元的器件。从JP-A-4-145664(Taketa，转让给Canon Inc.)可知有一种有机电子学单元，其中将薄膜置于上、下两电极之间，下电极被置于合适的衬底上，而上电极垂直地与下电极交叉。通过改变电极间电压，有机薄膜的导电率发生变化。这个导电率可被永久地保持并用作表示一对电极间薄膜的一个存储状态。但并没有指出，这个方法和器件如何可用于在大的无源矩阵中寻址。
JP-A-62-95883(Yamamoto，转让给Canon公司)公开了一种存储单元：在玻璃衬底上沉积铜形成为第一下电极；在电极上沉积上一层电荷转移有机金属络合物薄膜，这里使用Cu-TCNQ；此后在薄膜上沉积铝胶形成为上电极。若第一电极电位高于第二电极电位，薄膜保持在高阻态直到电场达到一个阀值强度，并且此后变为低阻态。但在该专利中未指示这类存储单元是否可直接用于大规模无源矩阵。但是，形成为其中存储媒质是以对照具有相同发明人和申请人的JP-A-62-95883的电荷转移型有机络合化合物形式的双稳态可开关薄膜的存储器件是公知的，其中为了寻址，每个存储单元都使用了晶体管开关。
在JP-A-3-137896(Taomoto，转让给Matsushita Giken K.K)中再一次建议了一种存储单元，它使用一种有机薄膜，其利用电场可在高阻态与低阻态之间双稳态变换，并在电场除去后保持住当时的电阻状态。此外，此存储单元在高温下可非常快地改变状态，但在低温时变化较慢。同样是将有机薄膜置于上、下电极之间，并放在衬底上，其叙述了开关特性当温度增加时越来越快，但是并未说明将这类存储单元用于大规模无源矩阵，以及是否适合于无源矩阵寻址。另外，JP-A-3-137894(Asakawa，转让给Matsushita Giken K.K)进一步公开了将若干薄膜置于上、下电极矩阵中。在一个6×11矩阵的实际情况下将有66个单元。薄膜是气相沉积的酞菁薄膜。若将一高于阈值的电压加在交叉电极上，一个on态被储存。当加的电压等于阈值时，交叉点被光线照射，使得on态被存储在这部分中，并且以光形式供给的信息可直接地被写入到矩阵中。当反向电压加到交叉点上时，on态被擦除。因此，就得到了一种既可用电信号，又可用光信号实现存储功能的结构。纵然该专利中使用了6×11矩阵，也还不能证明这种双稳态开关存储单元能正确无误地工作于具有大量存储单元的无源矩阵中的寻址。
最后，Z.Y.Hua和G.R.Chen在Vacuum 43，NO.11，pp.1019-1023(1992)发表了一篇论文“用于光学、电学和电子学薄膜存储器的一种新材料”，文中描述了一类新的可擦除存储媒质。由它制成的存储单元，在不同条件下受到热能、电场或光辐照能实现双稳态开关。这些存储媒质是基于上面已提到过的形成在7，7，8，8-四氰基对醌二甲烷(C12H4N4)中的有机金属电荷转移络合物M(TCNQ)，其中C12H4N4作为电子受主分子，而不同金属(M)作为富电子施主。Hua和Chen提出使用M(TCNQ)作为一种可电擦除存储器，将它们制成开关单元矩阵(采用Cu(TCNQ))，其通过例如在一组下电极例如铝和与之垂直交叉的一组平行上电极例如铜之间形成。作者提出，基于这类无源矩阵选址方式形成的存储器件具有寄生电流问题，因此为了避免误读出，建议在Cu(TCNQ)膜与下电极之间加一层材料，以形成肖特基势垒。于是寄生电流问题实质上被消除了，结合使用肖特基势垒的M(TCNQ)，因而能实现在大规模无源矩阵中存储单元的选址，为了通过在存储有数据的存储单元的大规模无源矩阵中寻址来避免寄生电流问题，需要考虑材料的工程条件。这对于在矩阵中除了纯粹的存储功能外，还希望具有开关、记录或检测功能时尤为重要，并且其中这种要求下电流和电压值可以大范围变化，使得二极管功能不经常成为必需的条件。人们也希望将无源矩阵中的电选址和光发射或光检测器件组合起来，由此对使用的材料有进一步的要求，特别当希望实现密度例如为108单元/cm2的无源矩阵时更是这样。
一般说来，在无源矩阵中对双稳态或多稳态可开关存储媒质进行选址的困难已可克服，选址能力和检测可靠性问题是随着矩阵中节点数增加而上升的，为此本申请人作了大量模拟试验，并确立了只要使用具有特殊电气或电子学性质的合适材料，这些问题是可以解决的。
因此，本发明的第一个主要目的是提供一种可电选址的无源器件，它可避免所有已知的用于存储数据的半导体器件所带来的问题，从而使非常大规模(例如108/cm2)的用作数据记录、存储和处理的单元的选址成为可能，它可以有全电子学格式，而不存在诸如复杂性、高价位、高功耗和存储易失等缺点。
本发明的另一目的是以有机材料作为功能媒质实现电可寻址无源器件，它的优点是提供了柔性技术解决方案，并且价格远低于基于无机晶体半导体的相对应的器件。
本发明的第二个主要目的是为按本发明制造的无源器件提供一种电寻址的方法，尤其是以全部为电子学方式对一个无源矩阵寻址的方法，其中，该无源器件的功能媒质实质上由有机材料组成，并且用于数据记录、存储和处理的单元量非常大，例如约为108/cm2。
本发明的最后一个目的是应用电可寻址无源器件和在一个无源矩阵中寻址的方法去实施一种光学检测器装置，或实施一种用于数据存储和(或)处理的大容量可寻址器件。
依照本发明是可以达到上述的目的与优点的，本发明采用一种电可寻址无源器件，其特征是单元被安置在电极组的阳极与阴极之间，这些电极直接或间接地与单元中的功能媒质接触，从而将一个直接或间接的电耦合作用于单元，因此能直接将电能加到单元上用来检测单元的物理或化学状态，或检测单元的物理或化学状态的变化，多个实质上平行的电导体被安置在功能媒质的每一边，使得上、下导体彼此为正交，单元的电极组形成在相应上、下导体之间的交叉点中，使得功能媒质之中的单元与属于它的电极组形成矩阵的元素，矩阵的行和列由相对应的在交叉点形成电极组阳极和阴极的上、下导电体来确定，单元的功能媒质具有非线性阻抗特性，所述的功能媒质是按本发明所提供的方法，由一种或几种有机材料组成的均匀或层状结构，其特征是给单元的功能媒质提供一非线性阻抗特性，所述功能媒质形成一种均匀或层状结构，其组成是一种或几种实质上的有机材料，通过与有机材料直接或间接接触的电极组中的阳极和阴极对单元加以电能，对单元加一个电压，就可直接或间接地对单元实施电耦合。
按照本发明，根据本发明的电可寻址无源器件和方法可应用于一种光学检测装置和大容量数据存储器件或数据处理器件。
按本发明，单元最好包含一个形成在阳极和阴极之间的整流二极管，使得器件包括这些二极管的电网络。
按本发明，电导体最好安置在功能媒质之中或之上，直接接触功能媒质或功能媒质的每一边，并且在电导体与功能薄膜之间加一层介电层，使得电导体与功能薄膜为间接接触。此外，希望电导体被置于与功能媒质每一边相邻的实质上如层状的衬底之中或之上。
为了例如实现一种光检测器装置，电导体以有利方式至少在功能媒质的一面上为透明材料。
在优选实例中，有机材料包含聚合物材料，该聚合物材料最好为一种共轭聚合物。
有机材料最好是一种各向异性的电导材料，或已加有一种在电能作用下能发光的物质，这样，这种有机材料在所发射光和可能由所加电能产生的热能影响下将发生化学反应，从而引起功能媒质阻抗的变化。
在一个优选的实例中，最好在有机材料表面上或表面中对有机材料加上一种或数种在电能作用下能发射或检测不同波长或不同波段的光的物质，或加上易熔微晶体。
在另一个优选实例中，有机材料是铁电液晶或铁电聚合物，在一个更为优选的实例中，有机材料本身或加在这种有机材料中的物质能从玻璃相转变为无定形相，或反之，或者有机材料可以是一种多稳态结构反应性的有机材料。
在一个按本发明方法的优选实例中，单元形成在相应的实质上平行的电导体间的交叉点中，电导体处于功能媒质的每一边，使得上下导体相互正交，并且包括单元相应电极组的阳极和阴极，使得功能媒质中的各单元和属于它们的电极组构成矩阵中的元素，矩阵的行和列由相应的上、下电导体确定。
电能优选通过注入电荷到单元中供给。
此外，在本发明所介绍的方法中，单元最好形成为具有高度非线性的电压特性。
本方法优选所形成的单元带有整流二极管。
其中有机材料中加上一种加上电能时能发光的物质，这样发出的光，可能还伴随着由于加上电能产生的热在此有机材料中会触发一种化学反应，使功能媒质的阻抗能以有利的方式变化。
其中有机材料附加一种或数种当加上电能时能发出不同波长或不同波段光的物质，优选所发射光的谱特性能随所加电能的电压值变化而改变。下面这种关系是很有利的，即赋予单元的一个逻辑值用给单元加上一高电压来变换，并且在施加低电压值期间检测光发射来读出逻辑值，使得单元发射长波长的光，其不会影响功能媒质的物理或化学状态，长波长光的强度依赖于逻辑值。
其中有机材料是铁电晶体或铁电聚合物，赋予单元的逻辑值最好通过测量单元的阻抗检测出。
赋予单元的逻辑值最好用所加电能来变换，通过电阻加热而改变功能媒质的电导率。
进一步优选的方案是赋予单元的逻辑值由于功能媒质的电导率发生了不可逆转的变化而不可逆地改变，或者逻辑值由于在功能媒质与阳极或阴极介面上发生不可逆转的变化而不可逆地改变。
其中有机材料已加易熔微晶，赋予单元的逻辑值最好是由于微晶熔化而不可逆地变换。
其中有机材料本身或添加于有机材料的物质能够从玻璃相向无定形相转变，优选赋予单元的逻辑值的不可逆地改变是由于所述有机材料或添加物在玻璃相与无定形相之间发生了转变或反之而造成的。
其中有机材料是一种多稳态构造反应性有机材料，优选赋予单元的逻辑值是由于在单元中产生了一个电场而不可逆地改变的。
本发明在下面将更详细地讨论电可选址无源器件的实例和本发明所提供的方法，同时请参阅附图。
图1a表示按本发明的一个可选址无源器件矩阵的优选实例的示意性透视图。
图1b是图1a中以二极管网络而实现的器件的一个等效图。
图2是图1器件中一个单元实例的示意图。
图3是图1器件中一个单元的另一个实例
图4是按本发明用于大容量数据存储器件或数据处理器件的器件。
图5是原理性示出了按本发明的一种可选址无源矩阵器件中的所谓寄生电流或另一种电流路径的问题。
图6是在一个单元之中带有光发射产生的寻址的一个例子。
图7是在一个单元中使用有机光发射二极管寻址的一个例子。
图8是在单元中使用一种铁电液晶材料寻址的一个例子。
图1示出了按本发明作为一种可寻址矩阵器件而实现的电可寻址无源器件，功能媒质1以平面层S呈现。功能媒质是一种具有非线性阻抗特性的有机材料，为了实现所希望的检测或开关功能还可能添加不同物质。在S层上表面是以多个导体m形式的用于电寻址的线条，在S层的下面相应地为以平行电导体n形式的电寻址线条，导体m，n互相正交，从而形成一个矩阵。在图1中所示出的器件x方向为导体m，y方向为导体n，因此导体形成一个平面正交x，y矩阵。器件中的一个逻辑单元2产生在二个交叉电导体m，n间的体积中。在图1a中着重指出了由第k根导体m和第I根导体n间的交叉点中形成的一个2ki单元。如果全部单元2形成为具有整流功能，则器件可以用例如图1b所示的等效整流二极管电网络来代表。
在交叉点的导体mk和nl的相对的那部分一起组成了逻辑单元2kl的电极组Ekl，因为在电极组中阳极3可以是导体mk，电极组中阴极4可以是导体nl。为本发明的若干目的，单元2kl还可以代表一个逻辑单元，因为被寻址单元中的材料或功能媒质可以呈现不同的物理或化学状态，后者可表示为电气上可检测的逻辑值。
在图2所示的那部分中，其中功能媒质1以层状形式处于导体mk，nl之间，电极组Ekl的阳极3和阴极4由在导电体之间交叉点中导体mk相关部分和导体nl相关部分组成。在这个交叉点中，即在阳极3和阴极4之间，形成一个无源逻辑单元，在图2中为了指示出是处于导体mk和导体nl之间，以2kl表示之。当然，图2只是图1的一个剖面，并且可理解为沿着导体mk的全剖将是y逻辑单元2和y导体ny的全部。若x≠y，当然，器件形成一个具有xy个逻辑单元的矩形面积，若x＝y，则器件是具有x2个单元的方形面积。
根据本发明一个更为复杂的实例，取其单元2的剖面示于图3。这里电导体m是在衬底5之上，而相应的电导体n安置在衬底6之上，如图2所示，导体m，n可直接与功能媒质1接触，但是在图3实例中，在相应导体m，n或衬底5；6之间加了介电层7，8。因此，由阳极3和阴极4组成的电极组不再与功能媒质1直接接触，而是通过介电层7，8与1间接接触，于是，通过单元2形成一个间接的电耦合。这种电耦合例如可能是感性的或容性的。若介电层7，8不存在，当然，电极组E将直接地与功能媒质1接触，就相应地对单元2获得直接或欧姆耦合。
简述之，电极组的阳极3和阴极4间的体积大小粗略地由导体m，n的宽度和其间距离，即功能媒质1的厚度来确定。该体积就限定了一个逻辑单元2，它例如在光学检测器中是一个检测器单元，或者在数据存储器件中是存储单元，或者在数据处理器中则是一个开关单元。
包围着功能媒质1的阳极3和阴极4是包含在电极组E中，于其上加一电压时，其将引起功能媒质状态的物理或化学变化。这将引起阳极3和阴极4之间的电阻抗变化，这个阻抗变化能在形成电极组E的导体m，n上被检测到。在每个单元2或在每个m和n的交叉点中的逻辑态或逻辑值可用测量形成单元2的电极组E的电导体m，n间的电阻抗而确定下来。
在这里应该指出，在现有技术的矩阵可寻址逻辑器件(例如数据存储器件)与本发明之间有根本性的差别。因为后者应用了具有非线性阻抗特性的且由一种或数种有机材料组成的功能媒质。这深切地暗示着已考虑了结构的柔性、操作特点和价格，使用这类功能媒质的一个重要特点是大大地拓宽了纯无源寻址的使用范围，例如它可应用在密度高达108个单元/cm2的具有106-108个单元的很大矩阵中，而不需在交叉点安放任何分立的有源电路元件。
按本发明的器件形成了平面层状结构S，这暗示将这种平面层状结构S堆积起来就可形成一个立体的逻辑器件，例如一个立体的存储器件。例如，这可以如图4所示那样实现，其中这类立体器件是将层结构S1……SZ堆积而成，图中示出了经过器件的单元2的一个列的剖面。按本发明的逻辑器件的实例和用于对基于矩阵形式进行电寻址的方法同时实现了近邻寻址，即寻址信号被以紧密联接传递给功能媒质1，并影响处于电极组E中的逻辑单元2，后者示于图4中并相应地有S1结构中的阳极3和阴极4。若几个结构S1……Sz互相垒起来，它们必须互相绝缘，其最好是采用对电、光或热绝缘的隔离层9。
原则上，器件的每一个单元2可以是非常小尺寸的，例如为几十个纳米量级或更小(若功能媒质1例如是基于层状的聚合物材料)。结构S的厚度相应地变小，因此可以认为按用于单元近邻电寻址的本发明使得制造一个无论从存储密度上，还是从传输速率上都具有非常大容量的立体数据存储器件成为可能。按本发明的器件在原理上非常类似于相对应地实施的基于近邻寻址和在立体实例中实现的光学数据存储器件。这种光学数据存储器件在属于本申请人并且因此包括在参考资料中的国际专利申请PCT/N097/00154中已公开和讨论过，于是关于图4实例器件的应用和按本发明立体地实现数据存储或数据处理器件就不用进一步详细讨论了。
无源固态存储器未被大规模实施(例如使用易熔电阻)的重要理由是由于在电导体网络中存在着另外一条电流路径或者所谓寄生电流。此问题示于图5，图中电导体再次标以m，n，一个逻辑单元2kl形成于导体mk和导体nl间的交叉点中。若在每个交叉点中逻辑单元2如图5所示那样由一个欧姆电阻组成，则由于寻址操作，在电流导体矩阵中给定坐标为x，y中的电阻变化将被如图5中所示被经过另一回路的漏电流所淹没，图中在x＝k，y＝1位置的逻辑单元2kl将被寻址，同时电流沿点表示电流路径漏到邻近单元。相应导体m和n上寻址用的正确电流路径用粗连续线表示。若电流导体矩阵的大小增加，即若xy乘积值增加，则可看出只有寄生电流被放大了的问题。下面将讨论二个避免此问题的方法，即使用整流二极管或具有高阻抗的材料，例如液晶或结构反应材料。
为了避免寄生电流问题，例如使交叉点，即单元中的电连接具有高度非线性的电流/电压特性，有时这就可削弱或消灭寄生电流问题。从观察图5可知，将一个整流二极管与每个交叉点的电阻相串联可以解决此问题。因此，对本发明来说，以一种简单且可靠的方法形成这种整流二极管网络是十分重要的，因为这与低价格相联系，且能生成以可调节和非线性阻抗形式的合适的数据携带结构。例如使用一种共轭噻苯(tiophene)聚合物或PPV型有机材料的功能媒质，并且合适选择与有机材料相关的电极材料，有可能在金属与有机材料之间的界面处产生二极管结，该二极管能有非常好的整流性质。经过单元的功能媒质的电耦合将被单元的阻抗特性所控制。因此，逻辑单元寻址将暗示着在交叉点的m和n导体间的阻抗有变化，例如在mk和nl之间如图5中所示的例子，寻址方法可有数种。
下面将给出按本发明的电可寻址方法的优选实例，首先本例子将涉及逻辑单元中数据的写和可能的读。
例1：用焦耳热写入
流过一个逻辑单元加在电导体m，n间x，y交叉点的强电流将加热基于有机导电材料的功能媒质。明智地选择材料，用一电流脉冲可使材料的体阻抗可逆地或不可逆地改变，变化了的阻抗可在形成逻辑单元电极组E的导体m，n上进行测量读出。
若按本发明的器件是制成作为具有高存储密度的数据存储器件，则逻辑单元之间非常靠近，这时避免当进行写入操作时由于热扩散形式引起相邻单元中阻抗变化造成的串扰是重要的。因此强制性采用短写入脉冲，因为可能达到的典型空间分辨率用热扩散长度表示。后者是一个清楚的量，它取决于体材料的参数和几何形状以及加热脉冲的时间特征。为了达到小于1μm的空间分辨率，必须使脉冲宽度小于1μs。
与数据读出特别相关的另一种形式的串扰是由有机体材料形成的功能媒质中逻辑单元之间的电流扩展。采用具有强各向异性导电的有机材料可避免之，它在阳极3和阴极4之间通过单元的方向上有高电导，而在结构S的延展方向，即沿着层或沿着由S形成平面的平面方向，或从存储单元到存储单元方向上为低电导。具有这类性质的聚合体化合物由M.Granstrom公开于论文“宏分子的微结构”第49-51页和134-158页，发表于Linkoping Studies in Science and Technolegy，Linkoping1996 NO.432；“自组织聚合物膜——一条走向新的基于共轭聚合物的电子器件的路”发表于Supamolecular Science。理想化的单元阻抗特性在读出操作时不应改变。这暗示着热驱动过程必须是高度非线性或依赖于阈值，即，在低到中等电流下，功能媒质不被影响，但在较高电流下有一个确定的和陡峭的转变(非线性阻抗特性)。晶体材料有一个确定的熔点典型地显示出热驱动变化。在如聚合物和玻璃这类无定形材料中，这种转变则缓慢地发生在一个相当宽的温度范围中，通常应用精度较低的参数软化温度或玻璃转化温度(Vicat点)。
大量实验记录指出，基于聚合物的二极管的寿命强烈地取决于运行条件，因为导致器件失效的主要因素是焦耳热。但是，即使热能转化温度不那么精确限定的这种二极管也很好地满足上面提出的在写与读操作间要有区别的需要。
在聚合物和其它二极管材料中获得熔点驱动阈值功能的方法是将微晶引入有机导体块材料或部分地覆盖在电极和有机材料之间的接触表面上。实施后一种措施的途径是在器件被安装前，将微晶喷射在电极表面。微晶的效应在于由于熔化机械上断开了电流路径。例如与电极良好地浸润性质将促进在侧方向的扩散，或释放出阻止电流传播的活性物质。
例2：借助光生写入
众所周知，曝光可减慢或加速有机材料中的化学变化。
在按本发明的器件的一个实例中，有机块材全体或部分地由能被加一个电流激活的光发射有机化合物组成。这类有机发光二极管(OLEDs)目前已处于商业发展阶段。OLEDs的蜕化机理是广泛研究的课题，一个重要的结果是抗二极管体材料的紫外或蓝光辐射的屏蔽，在考虑长寿命时的情况下，这是基本的。
在本发明中，通过激发发射紫外和/或蓝光的OLEDs产生强而可控的局部辐射的紫外和蓝光的敏感性被利用了。如下面所指出，伴随着OLED焦耳热的典型辐射效应有两种不同的利用方式，其一是基于检测逻辑单元中阻抗变化的读出，其二是基于检测OLED光发射性质改变的读出。
为了使功耗减至最少和增加寻址速率，选择了对光感应状态变化十分敏感的材料。这暗示着一个最佳的选择是严格地与制造OLEDs中常用的相反，且采用以前在发展OLEDs中被剔除的若干感兴趣的材料。然而在本情况下，对材料的选择具有很大的自由度，因此可能使用包含有一种光敏照相触发剂的交互作用的材料系统，这种触发剂相对于OLED中光发射元件的特殊激发而定制的。这种方法可直接用于逻辑单元中的功能媒质和电极表面的材料。
例3：用内部光生写入，用直接阻抗测量读出
在本情况下，光的唯一功能是触发和(或)加速单元2中功能媒质1的化学变化。一个简单的普通结构示于图6，其中一种发射紫外和(或)蓝光的聚合物被置于电极组阳极3和阴极4之间，并且在一个界面生成整流结。正向偏压引起电流，发射光且光与单元2的有机材料相互作用。产生瞬间加热，所加电能变成热耗和用于产生光之间的关系取决于功能媒质和电激发条件，热和光的复合效应由于一种或数种合适的机理在单元中引起化学变化。一种是共轭分子中链断裂，这使体材料中传导率减少，改变了每个单元之中的串联电阻。另一种机理是间接的，由光效应使添加的化学物质变成化学上反应性的，破坏单元中的导电材料。后者的一个例子是通过紫外和/或蓝光产生自由基。
例4：借助于内生光进行写入与读出
一个普通的结构示于图7，其中每个存储单元包含一个微有机发光二极管(OLEDs)10，10′的混合物，它们分别发射二种或各种波长的光，在图7中，10，10′为椭球小区域，其长边在阳极3和阴极4之间延伸并与之相接触。例如小区域10可发射紫外或蓝光，而小区域10′发射红光。由若干种OLEDs和小区域组成的单元是可以实现的，可见论文“从一种聚合物混合发光二极管的白光发射”(发表于Applied Phys.Lett.68：2pp.147-149，1996，M.Granstrom和O.Inganas)以及上述过的Granstrom论文pp135-140，本发明是基于杂乱地分布在单元体积中能发射蓝光和红光的OLEDs。低电压激发只激发发射红光的OLEDs，而较高电压还激发发射蓝光的OLEDs。
用高电压激发完成写入，使得发射蓝光和增加的热耗减少或破坏了发射红光OLEDs的光发射。光敏附加物也可应用于对上面例3的讨论中。用低电压激发完成读出是因为只有发射红光的OLEDs被激活，热产生也变低。讨论中的单元的辐射功率由光检测器指示出来，因此单元的逻辑状态被确定。
例5：基于液晶的容性逻辑单元
如果在无源矩阵可寻址逻辑器件中每个交叉点，即每个单个逻辑单元位置处均具有非常高的阻抗，则上述的寄生漏电将不存在。一个具有非常高欧姆电阻的器件示于图8。一个逻辑单元2在电极组E的阳极3和阴极4之间被装载了双稳态液晶材料(LC)。单元2的逻辑状态由LC的分子的有序程度来表示，后者可用加在电极上的电压来控制，其基本原理可以解释如下。设图8左边逻辑单元2处于无序状态并代表一个“0”逻辑值。加上为写入的极化电压，使液晶分子排列有序，导致代表一个“1”逻辑值的有序状态(如图8中右边的逻辑单元)。移去电压，LC中分子有序状态保留下来，并获得了一个非易失性的逻辑状态，此后，加一个能引起擦除值的电压脉冲或一组电压脉冲，单元可以恢复到逻辑“0”。根据本发明，逻辑单元2的逻辑值可以由单元中逻辑“0”和“1”间的电阻抗差来确定。作为一个具体例子，逻辑单元2的电容可近似地表述为C＝C0+C1，其中C0与LC分子有序状态关系不大，而C1明显地与分子排列有序性相关。
数据读出就是确定LC分子的有序程度。MLC＝f(C1)是LC分子定向漂移率的直接测量，将是相应“0”和“1”态的差。下面将讨论二种不同的优选的涉及确定MLC的电激发方案。为了直观些，以简化形式将LC分子作为如图8左边逻辑单元2中处于无序态的小杆子，在图中右侧逻辑单元2中LC分子已在阳极3和阴极4之间定向排列并处于有序态。然而这并不妨碍在基于铁电液晶逻辑单元中发生更为复杂的有序化。在第一方案中，连续交变电压(双极性电压)加在电极组，其频率足够低，使LC分子得以反应过来部分再定向，即f≤1/τ，其中τ是小信号再定向时间常数，f是频率。若分子是比较活动的(典型的为一无序态)，将检测出一个比有序态大的MLC值，其中分子沿着局部有序矢量方向锁定。
在第二种方案中，在电极上加电平并具有比写入时所用电压低的读出电压。取决于LC分子是处于“1”或“0”态，它们将有不同的定向迁移率和MLC数值，这可从测量瞬变位移电流推导出来，因为后者中包含了关于LC分子有序度的信息，这两个方案各有优缺点。加连续交变电压方案精确，但同时导致检测响应时间的减少，用阶梯电压方案的检测时间周期为τ，但具有较大的技术复杂性。在这二种情况中，一个相对高且阈值确定的写入电压简化了读出过程，另一方面，一个高的写入电压必须解决希望用低电压驱动电路和功率源的矛盾。
例6：电开关双稳态有机薄膜
复杂的有机分子，例如生物原，可以有双稳态或多稳态，即它们可以呈现出不同结构。一类这种分子是细菌视紫红质(bacteriorhodopsin)及其变形物(variant)或有关的化合物。将细菌视紫红质的结构反应性质用于光逻辑器件在属于申请人的No.972574专利中有更多的讨论，可参考之。
基于上述的矩阵可寻址逻辑器件实例可以得到一种双稳态存储器件。一种薄膜，例如细菌视紫红质，可作为功能媒质中的有机材料。当在电压加在电极组E的阳极3和阴极4之间时所产生的电场的影响下，薄膜最好对中和能在两种双稳态结构之间变换。变换可以可逆地进行，完成极多次数而不耗尽存储材料。当加一个高于变换阈值电压于电极组上时发生读出。如果讨论中的单元已经处于前面的写入状态，则加读出电压时，单元不发生进一步的响应。另一方面，若单元没有被变换，则单元将响应。变换伴随着一种电的瞬变过程，联接在驱动所讨论的单元的电极组上的电子回路可以感受到这种过程。
为了在按本发明的电可寻址无源器件中获得所希望的性质，功能媒质中的有机材料必须具有一种非线性阻抗特性。除上面已讨论过的有机材料，还可以例如用铁电聚合物材料以形成容性单元作为主题。另一种主题材料可以是基于具有非线性阻抗特性的电荷转移复合物的有机物，例如，上面提到过的M(TCNQ)。如果本发明的器件将用作一种光学检测器，则可采用有机材料形成光敏二极管的功能媒质，例如，用于上述OLEDs中的相应的聚合物。必须采用一种具有所希望光谱选择性的光敏聚合物。
应该明白，作为一种光学检测器，器件是检测器面阵，其例如为任何堆状结构是不合适的。另一方面，电极组E中电极m，n必须至少一个边是由透明或半透明材料制成(即入射光那一边)。例如电极m或n可以是ITO(InSnO)或一种透明或半透明聚合物，如聚吡咯(Polypyrrol)。
对于某些目的，希望光检测器能够调节光谱选择性，例如打算做一种多光谱检测。在透明电极上做一个电调谐的光过滤器可做到这一点。例如具有分离的驱动电路系统的连续层形式。另一种可能性是采用光谱选择性可以电调谐(直接发生在电极组E上)的光敏二极管材料。目前已证明在实际上这是不可能的。一个更为接近的实际可行的替代办法将功能媒质做成图形，即不是连续层，而是分离地赋予各单个单元。例如三组和三个相邻单元在RGB检测器中形成一个像素，对每个象素中的单元红、绿、蓝光是可选择的，于是可按一个对于RGB检测适合的协议寻址。
在按本发明的器件中的功能媒质本身可以是沉积在器件电极间的连续层。然而，不妨碍功能媒质是图形状的，即沉积在每个分离电极组中电极间的各分离部分。在这种情况中，若功能媒质具有各向异性电导，将不成问题。此外，功能媒质可以形成为均匀结构，例如由一种可能具有一种或几种添加剂的有机材料组成。这类添加剂本身可以是无机的或有机的。然而，这不妨碍具有层状结构的功能媒质的形成，使得在电极组电极间的层中提供有包括功能媒质的材料。每层可以由具有所希望的电的或电子学性质的不同有机材料构成，还可能带有无机或有机添加物。在此情况中，一层和可能若干层可以由无机材料组成。例如，应用一种氢化非晶硅(α-Si：H)邻接聚合物材料的组合物是合适的，这样就获得了一种混合无机/有机功能媒质。若一种基于电荷转移络合物的有机物，例如有机金属络合物如M(TCNQ)被用作功能媒质，前者必须具有一种非线性阻抗特性。也可以与半导体材料一起，后者邻接于功能媒质一个边的电极上，该半导体材料例如可用GaAs，这样便可获得一个前序中讨论的肖特基结。倘若希望实现带有二极管功能或整流功能的功能媒质，则层状实例使它可能以不同工艺实现这些功能。例如采用PN，NPN，PNP或PIN结，也可能是无机与有机的异质结。如果愿意的话，层状功能媒质也提供了在分离层中使用光发射或光检测材料的可能性。
本领域技术人员将认识到实际实例中按本发明的逻辑器件实例还包含用于电极的驱动器，并且其中为了将电压传送到电导体m，n上，必须采用馈线和电流连接。将外部电能供给按本发明的逻辑器件可以有若干方法，其对于本领域技术人员是不成问题的，因而这方面不在本发明范围内，在上面也不对此作更为仔细的讨论。

Claims (37)

1.用于数据记录、存储和/或处理的电可寻址无源器件，其中器件包含一种实质上如层状的连续的或构图的结构(S)形式的功能媒质(1)，其中功能媒质在受到一个合适的能量影响时会产生一种物理或化学状态变化，其中功能媒质(1)由互相独立的可寻址无源单元(2)组成，并构成二维图形，并且其中在单元(2)中一个给定的物理或化学态代表一个被记录的或被检测的值或是赋予单元的一个予置的逻辑值；特征在于：单元(2)处于一对电极组(E)的阳极(3)和阴极(4)之间，它们直接地或间接地与单元中功能媒质(1)相接触，以便将一个电耦合直接或间接地通过单元，为了检测单元中的物理或化学状态或检测单元的物理或化学状态的变化，可直接对单元(2)加电能；多个实质上平行的电导体(m；n)置于功能媒质(1)的两边，上、下导体(m；n)互相实质上正交，单元(2)的电极组(E)形成在相应上、下导体(m；n)的交叉点，于是功能媒质(1)中的各单元和属于它们的电极组(E)形成一个矩阵的各元素，它们的行和列由相应地在交叉点形成电极组(E)的阳极(3)和阴极(4)的上下电导体(m；n)来确定；单元(2)的功能媒质有一种非线性阻抗特性，所述功能媒质(1)形成为包含一个或几个有机材料的一种均匀的或层状的结构。
2.根据权利要求1的电可寻址无源器件，特征在于单元(2)中包含一种形成在电极组(E)的阳极(3)和阴极(4)之间的整流二极管，于是器件形成一种这类二极管组成的电网。
3.根据权利要求1的电可寻址无源器件，特征在于电导体(m；n)是置于功能媒质(1)之上或之中，并为直接接触。
4.根据权利要求2的电可寻址无源器件，特征在于媒质层(7，8)被置于功能媒质(1)的两边和在电导体(m，n)和功能媒质(1)之间，使电导体(m；n)与功能媒质(1)之间为间接接触。
5.根据权利要求3或4的电可寻址无源器件，特征在于电导体(m；n)被置于与功能媒质(1)两边相邻接的实质上如层状的衬底(5，6)之上或之中。
6.根据权利要求1的电可寻址无源器件，特征在于在功能媒质(1)中至少一个面上电导体(m；n)电透明材料制成。
7.根据权利要求1的电可寻址无源器件，特征在于有机材料包含一种聚合物材料。
8.根据权利要求7的电可寻址无源器件，特征在于该聚合物材料是一种共轭聚合物。
9.根据权利要求1的电可寻址无源器件，特征在于有机材料是一种各向异性的电导材料。
10.根据权利要求9的电可寻址无源器件，特征在于各向异性的电导材料由被包围在电绝缘材料中的分离的电导小区域(10，10′)组成。
11.根据权利要求10的电可寻址无源器件，特征在于导电小区域(10，101)是由至少两种有机液体之间的相分离形成，在电导体(m；n)和可能的衬底(5，6)形成于功能媒质(1)两边之前这两种液体以实质上如层状结构分布。
12.根据权利要求1的电可寻址无源器件，特征在于对有机材料添加一种能在电能作用下发光的物质，有机材料在所发射的光和可能的由所加电能产生的热能作用下发生一种化学反应，导致功能媒质的阻抗改变。
13.根据权利要求1的电可寻址无源器件，特征在于对一种有机材料添加一种或几种物质，应用电能可以发射或检测不同波长或不同波段的光。
14.根据权利要求1的电可寻址无源器件，特征在于功能材料是一种铁电液晶或一种铁电聚合物。
15.根据权利要求1的电可寻址无源器件，特征在于易熔微晶被加到有机材料中，最好是加在有机材料的表面上或表面中。
16.根据权利要求1的电可寻址无源器件，特征在于有机材料本身或加有这种有机材料的物质能从玻璃相转变为无定形相，或反之。
17.根据权利要求1的电可寻址无源器件，特征在于有机材料是多稳态结构反应性的有机材料。
18.一种用于数据记录、存储和/或处理的无源器件的电寻址方法，其中器件包含有功能材料(1)，其呈实质上如层状的连续或构图的结构(S)形式，其中功能媒质(1)在合适能量影响下能够进行物理或化学状态的变化，功能媒质(1)由分布成二维图形的分离的可寻址单元(2)组成，其中单元(2)中的一个给定的物理或化学态代表一个已记录或被检测的值，或是赋予单元一个予定的逻辑值，其中寻址包括检测单元中一个被记录或被检测的值的操作以及写入、读出、擦除和改变已赋值单元的一个逻辑值的附加操作，并且其中该方法包括将电能直接加到单元的功能媒质上以检测或改变单元的物理和/或化学态，从而完成一个寻址操作；特征在于提供单元(2)的功能媒质(1)具有非线性阻抗特性，所述的功能媒质(1)由包含一种或几种实质上的有机材料的一种均匀的或层状的结构组成，通过在电极组(E)中阳极(3)和阴极(4)之间安置单元来将电能供给单元(2)，电极组的电极与单元中有机材料直接或间接接触，并且通过电极可向单元加入电压，后者经过单元引起一种直接的或间接的电耦合。
19.根据权利要求18的方法，特征在于单元(2)是形成在相应地实质上平行的电导体(m；n)之间的交叉点中，导体(m，n)处于功能媒质(1)的两边，上、下导体(m；n)互相正交，并且分别包括单元(2)的电极组(E)中的阳极(3)和阴极(4)，在功能媒质(1)中的单元(2)和属于它们的电极组(E)形成了矩阵中的各元素，矩阵的行和列分别由上、下电导体(m；n)确定。
20.根据权利要求19的方法，其特征是至少功能媒质的一个面由透明材料形成电导体。
21.根据权利要求18的方法，其特征是用将电荷注入单元中实现加入电能。
22.根据权利要求18的方法，其特征是用在单元中产生电场的办法加入电能。
23.根据权利要求18的方法，其特征是单元具有高度非线性的电压特性。
24.根据权利要求18的方法，其特征是单元具有整流二极管。
25.根据权利要求24的方法，其特征是整流二极管是通过在阳极和阴极间直接接触最好是共轭聚合物的有机材料自然形成。
26.根据权利要求18的方法，其中将应用电能能发光的物质加入到有机材料中，使得发射光和可能由所加电能产生的热一起触发这种有机材料中的化学反应，特征是改变功能媒质的阻抗。
27.根据权利要求18的方法，其中将一种或数种在加以电能时能发射或检测出不同波长或不同波段的物质加到一种有机材料中，特征在于随着所加电能的电压值改变，发射光的光谱特性随之改变。
28.根据权利要求27的方法，其特征在于加高电压到单元以改变已赋予单元的逻辑值，并且在加低电压期间通过检测光发射而将逻辑值读出，使得单元发射长波长光，其不会影响功能媒质的物理或化学态，长波长光的强度取决于逻辑值。
29.根据权利要求18的方法，其中有机材料为铁电液晶或铁电聚合物，其特征在于用测量单元阻抗检测已赋予单元的逻辑值。
30.根据权利要求18的方法，其特征是加入电能，由于电阻热改变功能媒质的电导率而达到改变已赋予单元的逻辑值。
31.根据权利要求18的方法，其特征是已赋予单元的逻辑值由于功能媒质电导率受到不可逆转的变化而不可逆转地改变。
32.根据权利要求18的方法，其特征是已赋予单元的逻辑值由于在功能媒质和阳极或阴极之间界面中受到不可逆转的变化而不可逆转地改变。
33.根据权利要求18的方法，其中将易熔微晶加入到一种有机材料中，其特征是通过使微晶受到熔化，使已赋予逻辑单元的逻辑值也不可逆地变化。
34.根据权利要求18的方法，其中有机材料本身或加在这种有机材料中的物质可以从玻璃相过渡到无定形相，或反之，其特征是已赋与单元的逻辑值被可逆地改变，该改变是通过在有机材料中或所加物质中引起玻璃相与无定形相之间的转变或反之引起的。
35.根据权利要求18的方法，有机材料是多稳态结构反应有机材料，其特征是用在单元中产生电场来可逆地改变已赋予单元的一个逻辑值。
36.根据权利要求1-17中任一项的电可寻址无源器件的应用和按在光学检测器组中权利要求18-35中任一项的电寻址的方法。
37.根据权利要求1-17中任一项的可电寻址无源器件的使用和按在立体型数据存储器件或数据处理器件中权利要求18-35中任一项的电寻址的方法。
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