[發明專利]一種基于納米氧化物薄膜/電解質垂直結構的人工突觸電子器件的制備方法

在審

• 申請號: 202011114499.0
• 申請日: 2020-10-16
• 公開（公告）號: CN112239195A
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 徐文濤;郭科鑫;衛歡歡;于海洋;龔江東;李仁杰;韓弘;馬明雪
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: B81B7/04
• 分類號: B81B7/04;B81C1/00
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 趙鳳英

本發明為一種基于納米氧化物薄膜/電解質垂直結構的人工突觸電子器件的制備方法。該方法包括如下步驟：前驅體溶液于所得的襯底上旋涂，獲得氧化物薄膜；再在氧化物薄膜上旋涂聚合物電解質，退火得到該聚合物電解質薄膜；最后再聚合物電解質薄膜的表面上蒸鍍金屬電極，制備得到基于納米氧化物薄膜/電解質垂直結構的人工突觸電子器件。本發明制備得到的納米氧化物薄膜/電解質垂直結構的人工突觸電子器件實現了興奮性突觸后電流等可塑性的模擬。

技術領域

本發明屬于電子器件領域，特別涉及兩端人工突觸電子器件。

背景技術

神經形態學工程是設計和制造具有與人類大腦高度相似的高度并行計算的非生物運算系統的重要手段。人工神經形態學系統以極高的預算速度和效率模擬人腦的認知、記憶、計算等多種復雜功能。隨著電子和信息技術的發展，計算機仍在體積、運算速度、運行效率等方面不及人腦。因此，制造與大腦結構類似，功能相近的計算機可能是未來發展的一個重要方向。

相互連接的神經元構成了大腦的神經系統，這使得大腦可以實時的處理各種復雜的外部問題并對問題進行決策，同時大腦也能夠將外界信息進行存儲記憶。生物神經系統啟發的神經形態工程系統引起了對機器人和假肢的廣泛研究。其中，生物突觸間隙是各神經元之間結構和功能上的連接部位，負責信息的傳遞和處理。突觸前膜和突觸后膜之間的信息傳遞是通過化學信號的釋放和擴散來實現的。動作電位引起的一系列離子遷移從而導致突觸之間連接強度的改變是生物學習、記憶、認知、計算等功能的基礎。由離子傳輸到界面發生的雙電層乃至贗電容行為使得這一類人工突觸設備顯示出可以模仿生物神經元功能的行為。離子摻雜機制可能是模擬不同突觸權重的一個有效手段，與此同時，贗電容行為的可逆性有助于突觸權重的雙向調節，可以快速傳輸信息。而垂直結構中的兩個末端突觸具有實現雙向離子傳輸的潛力。另外，氧化物薄膜是一類金屬氧化物的無機半導體，在光電子器件領域備受關注。在鈣鈦礦電池中常用作電子傳輸層和空穴傳輸層。另外，在堿金屬離子電池中，納米氧化物常用作電極材料，對鋰離子和鈉離子有較好的存儲作用。因此具有較高離子電導率的固體聚合物電解質和納米結構氧化物制備超低能耗的人工突觸器件有重要意義。

發明內容

本發明的目的為針對當前技術中存在的不足，提供一種基于納米氧化物薄膜/電解質垂直結構的人工突觸電子器件的制備方法。該方法通過溶膠凝膠和退火的低成本方法，構筑納米氧化物薄膜/電解質人工突觸。本發明得到的垂直結構的氧化物薄膜/電解質人工突觸構造簡單。

本發明采用的技術方案是：

一種基于納米氧化物薄膜/電解質垂直結構的人工突觸電子器件的制備方法，該方法包括如下步驟：

1)將襯底經丙酮和異丙醇(IPA)依次超聲清洗；再用異丙醇熱蒸汽熏蒸襯底表面5秒～3分鐘，然后用N₂將其表面吹干；

其中所述襯底為商業高摻雜硅，石英玻璃或者氧化銦錫導電玻璃。

2)將步驟1)所得襯底用紫外臭氧清洗，然后將前驅體溶液于所得的襯底上旋涂，再將其置于加熱板上，80-600℃下退火10-120min，退火后冷卻至室溫，在襯底上獲得氧化物薄膜；每平方厘米襯底旋涂10-500μL分散液；所述的前驅體溶液是濃度為0.1M-2M的硝酸鎳溶液或濃度為0.1M-2M的TiO₂前體溶膠；旋涂轉速為1000-6000r·min^-1以及時間為10-80s；

所述的硝酸鎳溶液的配置方法為：將六水合硝酸鎳加入到乙二醇中，之后置于磁力攪拌器上，使六水合硝酸鎳溶解，得到硝酸鎳前驅體溶液；

所述的TiO₂前體溶膠的配置方法為：二乙醇胺和鈦酸四丁酯加入到無水乙醇中，攪拌溶解后向溶液中加無水乙醇和超純水，并將混合物進一步攪拌1～3h，然后靜置20～30h；得到透明的TiO₂前體溶膠；其中，二乙醇胺與鈦酸四丁酯的體積比為1:1～1:4，超純水與無水乙醇的體積比為1:80～90；