[發(fā)明專利]基于人工神經(jīng)突觸功能的雙層多孔氧化物結(jié)構(gòu)的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010460184.5
• 申請(qǐng)日: 2020-05-27
• 公開（公告）號(hào): CN111725398B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃安平;高勤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L45/00
• 分類號(hào): H01L45/00;G06N3/063
• 代理公司: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛(ài)華

本發(fā)明所述一種基于人工神經(jīng)突觸功能的雙層多孔氧化物結(jié)構(gòu)的制備，該器件由頂端電極，氧化物層及底端電極構(gòu)成。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、仿生了一種類海綿結(jié)構(gòu)的多孔氧化硅結(jié)構(gòu)；2、在多孔氧化硅表面生長(zhǎng)了一層離子型/離子摻雜型多孔氧化物層，構(gòu)成雙層多孔氧化物結(jié)構(gòu)；3、該雙層多孔結(jié)構(gòu)接觸的界面處呈現(xiàn)出小孔圍繞大孔的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)不僅表現(xiàn)出優(yōu)異電學(xué)性能，并能能夠模擬神經(jīng)突觸的基本功能，為憶阻機(jī)理的探究、新型突觸器件的構(gòu)筑提供了研究路徑。本發(fā)明的憶阻器具有優(yōu)異的電學(xué)性能。本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，性能優(yōu)異，在高密度存儲(chǔ)計(jì)算，人工智能領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，為探索新型的類腦神經(jīng)的工作機(jī)制提供了另辟新徑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于人工神經(jīng)突觸功能的雙層多孔氧化物結(jié)構(gòu)的制備方法，該雙層多孔氧化物突觸器件具有穩(wěn)定，多阻態(tài)，低能耗、非易失、記憶與存儲(chǔ)功能一體的憶阻特性，屬于類腦計(jì)算器件技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

大腦是人類自然界最為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)之一，擁有1011個(gè)神經(jīng)元，通過(guò)1015 突觸進(jìn)行連接，構(gòu)成了一個(gè)極為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)體系。在進(jìn)行大量的信息計(jì)算的同時(shí)，人腦所需要的功耗低，而且具有記憶功能。基于目前計(jì)算機(jī)存在存儲(chǔ)與計(jì)算并行，高功耗的缺點(diǎn)，開發(fā)一種具有類腦學(xué)習(xí)、記憶功能的計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。人工智能自誕生以來(lái)，理論和技術(shù)日益成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，不僅可以對(duì)人的意識(shí)進(jìn)行模擬，而且可以對(duì)人的思維的信息過(guò)程模擬。憶阻器由于其具有低功耗，非易失，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是其發(fā)展具有類腦水平的智能計(jì)算機(jī)迫在眉睫。因此，在實(shí)現(xiàn)高密度計(jì)算，神經(jīng)突觸的模擬方面具有廣泛應(yīng)用。

目前，基于憶阻器的研究頗為廣泛，其憶阻機(jī)理也分為：邊界遷移機(jī)制、氧化還原機(jī)制、相變機(jī)制等；從材料體系方面：主要分為氧化物、氮化物、鹵化物、二維材料、有機(jī)薄膜等；其結(jié)構(gòu)類型主要包括雙端和三端器件；導(dǎo)電類型主要分為陰離子導(dǎo)電和陽(yáng)離子導(dǎo)電。然而，在穩(wěn)定性、可靠性以及機(jī)理的進(jìn)一步分析等方面，仍存在許多問(wèn)題。例如：基于導(dǎo)電細(xì)絲型器件存在導(dǎo)電細(xì)絲的隨機(jī)生成和斷裂，因此在穩(wěn)定性方面仍是需要克服的難題，進(jìn)而限制了其在人工突觸方面的進(jìn)一步應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)憶阻器目前存在的問(wèn)題，將流體力學(xué)與器件機(jī)理的探究相結(jié)合，結(jié)合自然界中海綿的儲(chǔ)水、滲透、調(diào)節(jié)、釋放能力，結(jié)合毛細(xì)作用并利用地下水的滲透原理，解釋界面處離子的存儲(chǔ)問(wèn)題，根據(jù)憶阻器的原理，提出了一種雙層多孔氧化物結(jié)構(gòu)，為憶阻器機(jī)理的探究提供新的路徑，不僅提升了憶阻器性能，而且在人工突觸的模擬方面表現(xiàn)處良好的特性，為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算提供了很大應(yīng)用前景。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，如圖1所示：

本發(fā)明所述一種基于人工神經(jīng)突觸功能的雙層多孔氧化物結(jié)構(gòu)的制備方法，該雙層多孔氧化物器件結(jié)構(gòu)由上至下依次包括頂電極層、氧化物層及底電極層；其特征在于：

所述氧化物層主要分為兩層，包括第一氧化物層和第二氧化物層，其主要的功能是作為突觸功能層；第一氧化物層靠近頂電極層一側(cè)，第二氧化物層靠近底電極層一側(cè)；該第一氧化物層和第二氧化物層為多孔結(jié)構(gòu)，且多孔通道相互連通。且在第一氧化物層和第二氧化物層的界面處，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)小孔包圍大孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在電場(chǎng)的作用下為離子的輸運(yùn)提供通道，控制離子的輸運(yùn)路徑；撤去外電場(chǎng)后，可存儲(chǔ)金屬離子。

所述的第一氧化物層為鈷酸鋰(LiCoO₂)、鈷酸鈉(NaCoO₂)、鈷酸鉀 (KCoO₂)、鈷酸鎂(Mg(CoO₂)₂)中的一種，或者離子摻雜鈷酸鋰(LiCoO₂： M)、離子摻雜鈷酸鈉(NaCoO₂：M)、離子摻雜鈷酸鉀(KCoO₂：M)、離子摻雜鈷酸鎂(Mg(CoO₂)₂：M)中的一種，所述M離子包括各種堿金屬以及堿土金屬元素，具體為鋰(Li⁺)、鈉(Na⁺)、鉀(K⁺)、鎂(Mg²⁺)中的一種、兩種或兩種以上；