一种光刺激两端人工突触器件及制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种光刺激两端人工突触器件及制备方法和应用 (Light-stimulated artificial synapse device at two ends and preparation method and application thereof ) 是由 罗春花 张尧迪 蒋纯莉 彭晖 钟妮 林和春 田博博 段纯刚 于 2020-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光刺激两端人工突触器件及制备方法和应用,其制备方法是采用真空热蒸镀的方式在电极表面依次蒸镀酞菁铜有机半导体、小分子铁电体和酞菁铜有机半导体薄膜,形成金属/有机半导体/小分子铁电体层/有机半导体/金属的器件结构。其中所述电极为金、银、铜、铝、铟锡氧化物等导体,所述小分子铁电层为高氯酸胍和四乙基高氯酸胺小分子铁电体。本发明所制备的人工突触器件能够实现生物突触相似的功能,具有低功耗,低串扰等优点。其制备方法操作步骤简单,成本低,易于实施,并且安全、环保。(The invention discloses a photostimulation two-end artificial synapse device, a preparation method and application thereof. The electrode is a conductor such as gold, silver, copper, aluminum, indium tin oxide and the like, and the small molecule ferroelectric layer is a small molecule ferroelectric of guanidine perchlorate and tetraethylammonium perchlorate. The artificial synapse device prepared by the invention can realize the similar function of biological synapses and has the advantages of low power consumption, low crosstalk and the like. The preparation method has the advantages of simple operation steps, low cost, easy implementation, safety and environmental protection.)
技术领域
本发明涉及人工突触器件制备技术领域，特别是一种基于有机半导体和小分子铁电的两端光电人工突触器件的制备方法。
背景技术
由于生物神经突触的大部分信息都是通过电信号的形式进行传递，所以以往的神经突触器件中，突触的连接强度是通过施加电信号来改变的。但是电刺激信号存在着一些缺点，比如由于带宽连接密度的限制，模拟神经突触器件的操作速度将受到极大的限制。因此近来有人尝试引入光刺激信号来改善这种限制，此外由于光脉冲信号具有低串扰和低功耗的优点，因此可以成为提升计算速度的有利选择。而且生物突触也是可以接受光刺激信号的，在光遗传研究中，光可以控制由基因修饰的神经突触。
2017年，Guo和他的课题组成员制备了基于ZnOx/AlOy忆阻器件的光电人工神经突触。在有光照和没有光照的情况下都可以观察到类似的记忆切换行为。SET和RESET过程分别发生在正偏差和负偏差。在此，SET是从高电阻状态(HRS或OFF状态)到低电阻状态(LRS或ON状态)切换。紫外光照射后，器件的电流随时间增加。移除光照后，电流随时间逐渐衰减，证明了器件存在PPC行为。外，在In2O3/ZnO和MoS2忆阻器件中也已经实现了基于PPC效应的类似光电突触。Tan和他研究团队，也展示了一种光可写电可擦除的多级存储器。相比上述器件中所使用的无机材料，有机材料具有非常多的特点，比如制作成本低，制作工艺简单，容易形成致密的薄膜，因此有机材料对制造人工神经突触器件有着很高的吸引力。
发明内容
本发明目的是提供一种光刺激两端人工突触器件及制备方法和应用，该器件能够模拟生物突触的行为，实现生物的学习-遗忘功能外，还利用光刺激实现包括短时记忆(STP)和长时记忆(LTP)之间的转换、双脉冲易化，突触的兴奋和抑制等功能的模拟。且具有功耗低，串扰低，制备方法简单，成本低，易于实施，安全，环保等优点。可应用于人工智能硬件和人工神经网络硬件方面。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种光刺激两端人工突触器件的制备方法，该方法包括以下具体步骤：
步骤1：对下电极进行清洗
将下电极放入去离子水中超声1～3分钟，然后放入丙酮溶液中超声1～3分钟，再放入异丙醇中超声1～3分钟，最后将下电极放入真空干燥箱中干燥；
步骤2：蒸镀有机半导体层
在步骤1所得到的下电极上热蒸镀一层酞菁铜有机半导体层；将酞菁铜材料放入真空热蒸发仪中的石英坩埚里，当真空蒸发腔体的真空度在1×10-5～1×10-4Pa之间时，将材料逐渐蒸发到下电极上；蒸镀的厚度通过真空热蒸发腔体内部的频率晶振片实时监控；
步骤3：蒸镀小分子铁电体层
在步骤2所制得的酞菁铜有机半导体薄膜上采用真空热蒸发仪在真空度在1×10-5～1×10-4Pa之间时热蒸镀一层小分子铁电体层；
步骤4：再次蒸镀有机半导体层
在步骤3所得到的小分子铁电体层上再热蒸镀一层酞菁铜有机半导体层；将酞菁铜材料放入真空热蒸发仪中的石英坩埚里，当真空蒸发腔体的真空度在1×10-5～1×10- 4Pa之间时，将酞菁铜匀速蒸发到小分子铁电体层上；
步骤5：制备人工突触器件
在步骤4所制得的酞菁铜有机半导体薄膜上热蒸镀一层厚度为5～200nm的导体作为上电极，制得所述的人工突触器件；其中：
所述小分子铁电体为式Ⅰ所示的高氯酸胍或式Ⅱ所示的四乙基高氯酸胺，其分别具有如下的分子结构：
所述上、下电极为导体；
所述小分子铁电薄膜的厚度为1纳米至100微米；所述有机半导体薄膜厚度为1纳米至100微米；
所述导体是厚度为5～200纳米的金、银、铜、铝或铟锡氧化物。
一种上述方法制得的光刺激两端人工突触器件，该人工突触器件为：用真空热蒸镀的方式在电极表面依次蒸镀酞菁铜有机半导体、小分子铁电体和酞菁铜有机半导体薄膜，形成金属/有机半导体/小分子铁电层/有机半导体/金属的器件结构。
所述的光刺激两端人工突触器件在人工智能硬件和人工神经网络硬件上的应用。
在本发明中，选择了有机半导体材料酞菁铜(CuPc)，它具有极好的光电效应、抗热能力和酸碱稳定性。并基于酞菁铜与小分子铁电体去实现人工神经突触的模拟。利用酞菁铜这一物质具有的光电效应，研究器件在光电协同作用下响应行为，探索其在光电神经突触行为模拟的应用潜力，包括短时记忆(STP)和长时记忆(LTP)之间的转换，此外还研究了器件的双脉冲易化，突触的兴奋和抑制。
与现有技术相比，本发明有益效果：
本发明的基于有机半导体酞菁铜和小分子铁电的两端光电人工突触器件，与需要相对高电压以诱导导电细丝形成或离子扩散的其他忆阻装置相比，该突触的功耗十分低，此外光脉冲刺激信号的引入，证明了本发明在光电神经突触行为模拟的应用潜力，包括短时记忆(STP)和长时记忆(LTP)之间的转换，此外还研究了器件的双脉冲易化，突触的兴奋和抑制。此外，该人工突触器件具有超低能耗和抗串扰的优点。可用于构建人工神经网络系统。其制备方法操作步骤简单，原料易得，成本低，耗能少，效率高，易于实施；整个制备过程安全、环保。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的光刺激两端人工突触器件的结构示意图；
图2为本发明实施例1所制备的光刺激两端人工突触器件的I-V图；
图3为本发明实施例1制备的光刺激两端人工突触器件的持久光电导效应(PPC)示意图；
图4为本发明实施例1制备的光刺激两端人工突触器件施加强度递增的光脉冲实现从STP到LTP的转变示意图；
图5为本发明实施例1制备的光刺激两端人工突触器件施加不同的脉冲刺激次数与电流关系示意图；
图6为本发明实施例1制备的光刺激两端人工突触器件模拟生物的学习-遗忘功能示意图；
图7为本发明实施例2所制备的光刺激两端人工突触器件的结构示意图；
图8为本发明实施例2所制备的光刺激两端人工突触器件由单个光脉冲触发的突触后电流示意图；
图9为本发明实施例2所制备的光刺激两端人工突触器件在光脉冲间隔时间为1.5秒时触发的PPF示意图；
图10为本发明实施例2所制备的光刺激两端人工突触器件在三次连续的光脉冲刺激下实现从STP到LTP的转变示意图；
图11为本发明实施例2制备的光刺激两端人工突触器件施加不同的脉冲刺激频率与电流关系示意图；
图12为本发明实施例2制备的光刺激两端人工突触器件施加不同的脉冲刺激次数与电流关系示意图；
图13为本发明实施例2制备的光刺激两端人工突触器件施加不同的光脉冲刺激强度与电流关系示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。实施本发明的过程、条件、试剂、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。以下通过实施例对本发明做进一步的阐述，其目的是为了更透彻理解本发明的内容，凡所举之例不视为对本发明保护范围的限制。
实施例1
本实施例以高氯酸胍C(NH2)3ClO4为小分子铁电体层，以酞菁桐(CuPc)为有机半导体层，分别具有下式结构：
制备基于导电聚合物的人工突触器件，具体步骤如下：
(1)、对下电极进行清洗,将下电极放入去离子水中超声1～3分钟，然后放入丙酮溶液中超声1～3分钟，再放入异丙醇中超声1～3分钟，最后将下电极放入真空干燥箱中干燥；
(2)、制备小分子铁电体,在水溶液中用碳酸胍和高氯酸以1∶1的比例反应合成高氯酸胍，静置让其缓慢蒸发，48小时之后就会得到无色透明的晶体。其中，高氯酸的浓度为0.05～1mol/L，碳酸胍的浓度为0.05～1mol/；
(3)、真空蒸镀有机半导体层,在步骤(1)所得到的下电极上热蒸镀一层有机半导体层，将酞菁铜材料放入石英坩埚，当真空蒸发腔体的真空度为5×10-5Pa时，将材料逐渐蒸发到器件上。蒸镀的厚度通过真空蒸发腔体内部的频率晶振片实时监控；
(4)、真空蒸镀小分子铁电体层,在步骤(3)所制得的有机半导体薄膜上利用步骤(2)制得的分子铁电体热蒸镀一层高氯酸胍小分子铁电体层；
(5)、再次蒸镀有机半导体层,在步骤(4)所得到的小分子铁电体层上再热蒸镀一层酞菁铜有机半导体层，将酞菁铜材料放入石英坩埚，当真空蒸发腔体的真空度为5×10- 5Pa时，将有机半导体匀速蒸发到器件上；
(6)、制备人工突触器件,在步骤(5)所制得的有机半导体薄膜上热蒸镀一层导体作为上电极，其厚度为20nm，制得所述的人工突触器件,结构如图1所示；
对本实施例制备得到的基于有机半导体酞菁铜和分子铁电高氯酸胍的两端光电人工突触器件进行了生物突触的行为模拟。对器件施加连续的正向扫描电压(0→5V→0V)时，器件电流逐渐降低，即器件电导连续减小，如图2a所示。对器件施加连续的负向扫描电压(0→-5V→0V)时，器件电导会逐渐增加，电流响应如图2b所示。呈现出忆阻的功能，光脉冲刺激下的神经功能模拟基于器件对于光的持久光电导效应，器件的持久光电导效应如图3所示。对器件施加强度递增的光脉冲，器件的突触后电流逐渐增加，实现了从短时记忆向长时记忆的转变，如图4所示。还通过改变光脉冲的刺激次数来模拟神经突触的功能，与生物突触的学习功能类似，当更多的刺激的刺激次数就意味着更大的突触后电流，次数越多，兴奋性突触后电流越大，可以实现从短时记忆到长时记忆的转变，如图5所示。当对器件施加9次连续的光脉冲使器件的光电流由12.4nA增加到17.2nA，然后在一段时间后逐渐衰减，然而，第二次连续光脉冲刺激的作用会更加明显，即光电流上升的速率变快，第二次光信号刺激仅需5次。器件的这种特性与人类的经验-学习行为天然类似，如图6所示。性能测试结果表明器件能够模拟生物神经突触的功能，可应用于构建人工神经网络系统。
实施例2
本实施例以四乙基高氯酸胺(C8H20ClNO4)为小分子铁电层，以酞菁铜(CuPc)为有机半导体层，分别具有下式结构：
制备基于导电聚合物的人工突触器件，具体步骤如下：
(1)、对下电极进行清洗,将下电极放入去离子水中超声1～3分钟，然后放入丙酮溶液中超声1～3分钟，再放入异丙醇中超声1～3分钟，最后将下电极放入真空干燥箱中干燥；
(2)、真空蒸镀有机半导体层,在步骤(1)所得到的下电极上热蒸镀一层酞菁铜有机半导体层，将酞菁铜材料放入真空热蒸发仪中的石英坩埚里，当真空蒸发腔体的真空度为5×10-5Pa时，将材料逐渐蒸发到器件上。蒸镀的厚度通过真空蒸发腔体内部的频率晶振片实时监控；
(3)、真空蒸镀小分子铁电体层,在步骤(2)所制得的有机半导体薄膜上热蒸镀一层四乙基高氯酸胺小分子铁电体层；
(4)、再次蒸镀有机半导体层,在步骤(3)所得到的四乙基高氯酸胺小分子铁电体层上再热蒸镀一层酞菁铜有机半导体层，将酞菁铜材料放入石英坩埚，当真空蒸发腔体的真空度为5×10-5Pa时，将有机半导体匀速蒸发到器件上；
(5)、制备人工突触器件,在步骤(4)所制得的有机半导体薄膜上热蒸镀一层导体作为上电极，其厚度为20nm，制得所述的人工突触器件，结构如图7所示；
对本实施例制备得到的基于有机半导体酞菁铜和小分子铁电四乙基高氯酸胺的两端光电人工突触器件进行了生物突触的行为模拟。将532nm的光脉冲作为突触前的输入，将瞬态光电流视为突触后的电流。由单个光脉冲触发的兴奋性突触后电流瞬时增加到4.97mA的峰值，然后逐渐下降，导致典型的兴奋性突触后电流的衰减行为如图8所示。器件的双脉冲易化(PPF)现象是指器件在连续施加两个突触前尖峰光脉冲时发生，且第二个尖峰光脉冲产生的输出大于第一个尖峰光脉冲，如图9所示。对器件施加三次光强相同的光脉冲信号，器件在第一个脉冲到达时光电流迅速增加，此时的突触权重也迅速增加，在光脉冲撤离后突触权重随时间逐渐衰减，此时突触器件表现出短时可塑性，当再次施加光脉冲时，突触权重再次增加，在三次连续的光脉冲刺激结束后，突触权重不断增加，达到很强的状态，这就意味着需要很长的时间，器件才能恢复，此时对应着长时间持续高电导的状态，表现出长时可塑性，如图10所示。除了改变光脉冲的刺激次数外，还可以通过改变光脉冲的频率、次数及强度来影响突触权重的变化；频率越高，兴奋性突触后电流越大(图11)、次数越多，兴奋性突触后电流越大(图12)和强度越强，兴奋性突触后电流越大(图13)；如此可知，光脉冲光强越大，刺激的次数越多，刺激的频率越快，那么突触后膜的电导就会变得越大，所以可以通过改变光脉冲的光强和刺激数以及频率来实现短时可塑性向长时可塑性的转变。性能测试结果表明器件能够模拟生物神经突触的功能，可应用于构建人工神经网络系统。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
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