[發明專利]基于有機無機異質結的光電突觸器件及制備方法、應用

在審

• 申請號: 202111024147.0
• 申請日: 2021-09-02
• 公開（公告）號: CN113921716A
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 劉正東;宋誠;王曉靖;班超逸;劉舉慶
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/48
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 朱少華

本發明公開了一種基于有機無機異質結的光電突觸器件及其制備方法和應用。其由下至上依次底電極、氧化物層、聚合物層、以及頂電極，其中氧化物層為由水熱法制備的氧化鋅納米陣列，聚合物層為由溶液法制備的二維共軛微孔聚合物。由于氧化鋅納米陣列和聚合物分別在紫外和可見光波段具有強的光吸收性能，通過氧化鋅納米陣列和二維聚合物層層組裝，構建的有機無機二維異質結能實現從紫外到可見光范圍的光吸收。該器件能通過調節光照時間/強度來改變載流子濃度和電流強度，進而可模擬人腦中興奮性突觸后電流增強效應和經驗式學習行為。本發明制備的基于有機無機異質結的光電突觸器件具有寬波段響應、易于制備、低成本、低功耗和高穩定性等性能優點。

技術領域

本發明涉及光電信息材料與存儲領域，尤其涉及一種基于有機無機異質結材料的光電突觸器件及其制備方法和應用。

背景技術

人腦神經信息活動具有高效能量利用、大規模并行、分布式存儲和處理、自主學習、低功耗等優點。研究表明，人腦的這些優良特性主要得益于神經系統中的生物突觸，它們具有計算和存儲能力。人們非常希望模擬突觸功能，執行與人腦類似的低能量和密集互聯的神經網絡算法。

目前，人工突觸已經通過使用不同類型的材料成功實現，而人工突觸優異的應用潛力，引起了科學家越來越多的關注。但目前由純電子元件組成的突觸裝置無法實現生物神經系統中的感知系統的功能(如視覺、嗅覺或聽覺)，而且缺乏專門為神經形態電路設計傳感元件可能會導致不理想的硬件冗余和系統延遲。鑒于人類獲取80％以上外部信息的方式是通過視覺感知的，儲存和處理獲得的視覺信號的重要性顯而易見；另外，光學調控可以在視覺系統和大腦功能之間架起橋梁。但是光電突觸的研究仍然處于初級階段。與傳統的電刺激裝置相比，光刺激響應的突觸器件具有更寬的帶寬、更低的串擾、延遲、能耗等優點，這可能有助于提高神經網絡的計算速度。

近年來，雖然對光電突觸的研究發展迅速。許多課題組采用氧化物異質結、鈣鈦礦和二維材料等新興材料制備的器件，在不同條件下模擬了光電突觸可塑性。然而，這些光電突觸功能有限、波長響應范圍小、可靠性差，實際應用仍然是一項艱巨的任務。因此，尋求新的材料和器件設計來模擬生物突觸對光刺激的反應具有重要意義。

發明內容

本發明旨在提供一種具有寬波段響應、簡單易調控、低功耗、高穩定性等性能的有機無機異質結光電突觸器件。

一種基于有機無機異質結的光電突觸器件，其中，器件從下至上依次為底電極、氧化物層、聚合物層以及頂電極，利用氧化物層、聚合物層對光的敏感性不同，將氧化物層與聚合物層組裝成有機無機二維異質結，拓寬響應波段。所述底電極的材料為氧化銦錫(ITO)，所述頂電極材料為金。所述氧化物層的材料為氧化鋅納米陣列，所述氧化物層的厚度為100nm-3μm。

所述聚合物層的材料為二維共軛微孔聚合物，所述聚合物層的厚度為20-100nm。一種基于有機無機異質結光電突觸器件的制備方法，其中，包括步驟：

在所述底電極ITO上水熱法制備金屬氧化物納米陣列，形成氧化物層；

在所述氧化物層表面溶液法制備二維共軛微孔聚合物，形成聚合物層；

在所述聚合物層表面沉積金屬材料作為頂電極，制得有機無機異質結光電突觸器件。

優選地，所述的有機無機異質結光電突觸器件，其中，所述金屬氧化物納米陣列的制備方法包括步驟：

ITO底電極分別采用去離子水，乙醇，異丙醇超聲15min，氮氣吹干，然后經過氧氣等離子體處理5min后，將濃度1-30mg/mL二水合醋酸鋅的乙醇溶液以1000-5000r/min的旋涂速度旋涂在底電極上作為晶種,并在180℃的烘箱中處理30min。

將上述襯底放置在比例為25mL：25mg：50mg的六亞甲基四胺和六水合硝酸鋅的去離子水水溶液中，在95℃條件下反應0.5-6h，最后用去離子水反復清洗，制備得到金屬氧化鋅納米陣列。