基于有机场效应晶体管（OFET）结构的非易失性存储器不仅具有单只晶体管驱动、非破坏性读取、存储速度快和存储容量大等特点,而且具有成本低、可大面积溶液加工、与柔性衬底相兼容、与目前CMOS电路兼容度高等诸多优点,有望成为新一代存储器的主流替代方案,在存储芯片、柔性集成电路、人工智能等方面展现出了广阔的应用前景。有机场效应晶体管存储器的电荷俘获材料可有效俘获并稳定存储电荷且分子具有可设计性,器件制备工艺简单,已成为目前场效应晶体管器件研究的主流。但分子结构和凝聚态与存储器性能参数之间的关系和存储机理并不明确,开发新型单组份小分子存储材料以提高存储密度和稳定性仍然是一个挑战,因此设计模型系统,研究分子结构与有机薄膜凝聚态光电特性,深入研究分子的构效关系和提高器件性能迫在眉睫,具有重要的科学意义。本论文聚焦基于有机小分子电荷存储层的有机场效应晶体管存储器,重点探究无隧穿阻挡层器件结构中单组份小分子电荷存储材料的分子设计,结合理论计算对分子的热学、光学、电学以及凝聚态薄膜性质进行系统表征,研究小分子的分子结构、电子结构、拓扑构型、能带工程、介电特性等因素对电荷俘获特性的影响,进一步的拓展其在大容量、快速、高稳定性多阶存储器及柔性存储与人工突触方面的应用。主要研究内容及成果如下:1、针对有机存储介质电荷流失问题,发现了分子的电子结构和位阻功能化对双极性电荷俘获和电荷局域化的影响规律,运用多位阻化策略,设计并成功合成出基于三苯胺和氮杂芴的给受体型多位阻分子TPA（PDAF）₃,该分子完全分离的HOMO和LUMO能级分别提供理想的空穴和电子俘获位点,实现了双极性电荷存储,其共轭打断的空间位阻提供了分子阻挡层,可以对核心俘获的电荷起到抑制流失的作用。制备的OFET存储器具有高电荷俘获密度、快速的编程速度,优异的维持时间,双极性存储窗口优于目前报道的所有单组分小分子存储材料。2、提出了共轭小分子的格子化效应,设计并合成了一系列基于二芳基芴的小分子材料,闭环结构的纳米格（Grid）分子表现出刚性的分子构象和纳米级孔结构,具有优异的溶解性和成膜性。结合理论计算,系统地研究了分子的光、电、热性质、薄膜形貌以及能带工程。相比未环化的分子,纳米格具有更好的热稳定性、电化学稳定性和形貌稳定性,同时保持较宽的带隙和分离的HOMO/LUMO能级,在连续的薄膜中表现出单一的纳米浮栅行为,为溶液加工型无隧穿阻挡层OFET存储器提供了可行的思路。3、利用纳米格的可溶液加工性、优异的光电性能制备了基于纳米格的无隧穿阻挡层的OFET存储器,并成功解释了分子结构与器件性能之间的构效关系。基于纳米格Grid的存储器实现了大容量的双极性存储,8.21 V/ms的高编程效率,超过1000次的循环耐受性和超高稳定的8阶存储,维持时间理论上可达100年。这种新型有机存储介质兼具高容量、快速写入、长期不挥发性和显著的可扩展性,为新兴有机存储介质的合理设计提供了研究思路。4、为了解释Grid存储器的电荷存储机理,从物理机制的角度对材料薄膜的介电特性进行研究,揭示存储窗口与存储效率的基本原理。利用开尔文扫描探针显微镜技术研究了薄膜的电荷俘获动力学,研究存储薄膜的电荷约束能力,解释Grid中电荷长期维持稳定性的原因。通过理论计算研究了前线分子轨道、静电势、电离势、电子亲和势、偶极矩以及分子内聚能密度,从分子结构和能量的角度解释了分子中电荷存储的位点和高稳定性的原因,提出了基于Grid存储器的合理的电荷存储机制。进而把Grid应用于柔性存储器件,证明了基于Grid的柔性存储器优异的抗弯曲应变的机械耐久性,在1500次弯曲循环后仍保持良好的性能。最后,验证了器件在120℃的热稳定性。Grid存储器在大容量、写入速度和非易失性之间找到了一个平衡,解决了OFET存储器中快速写入和稳定捕获的问题。5、基于纳米格表现出的优异存储性能,利用分子的模块化合成技术可实现丰富的官能团引入以及纳米级孔径的精确调控,进而对纳米格分子进行了拓展。把苯并噻二唑（BT）基团引入纳米格,设计并合成了两种D-A型纳米格,研究了BT基团在纳米格横梁和桥的不同位置对纳米格光学、电学、热学性质的影响以及对纳米格能带结构的定制化调控。基于D-A型纳米格的光敏OFET存储器实现了电和光作为独立的手段对存储器开关的调控,并且获得了较大的存储窗口和响应速度、稳定的读写擦循环耐受性和维持时间。最后,利用D-A型纳米格的纳米孔径和优异的电荷传输特性,通过与TBAPF6掺杂,制备了双端忆阻器的人工突触,成功地模拟了学习过程,突触增强和抑制可塑性。