本發(fā)明屬于有機(jī)二極管電存儲(chǔ)和憶阻器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著微電子芯片的集成度和性能遵循摩爾定律快速地提高，基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementarymetaloxidesemiconductor-cmos）工藝的傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)逐漸接近其物理極限，計(jì)算機(jī)的“存儲(chǔ)墻”問(wèn)題也變得越來(lái)越嚴(yán)重，這些都阻礙著計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。所以，必須尋找新的存儲(chǔ)技術(shù)和計(jì)算，用來(lái)研發(fā)存儲(chǔ)容量更大、處理速度更快的計(jì)算機(jī)?；陔娮涌茖W(xué)的研究，蔡少棠于1971年從對(duì)稱(chēng)性角度在電路理論中提出假設(shè)，發(fā)現(xiàn)了“消失的電路元件”——憶阻器，憶阻器的出現(xiàn)給研究者們帶來(lái)了新的希望。憶阻器作為一種具有記憶特性的新型元器件，被認(rèn)為是與電阻、電感和電容并肩的4個(gè)基本電路元件之一。憶阻器在開(kāi)發(fā)新一代高密度非易失型存儲(chǔ)器和生物模擬領(lǐng)域可以起到巨大的作用和誘人的發(fā)展前景。

基于它的低功耗，對(duì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化神經(jīng)形態(tài)電路十分有利，而在神經(jīng)科學(xué)研究中，神經(jīng)系統(tǒng)的高效性關(guān)鍵在于大腦皮質(zhì)神經(jīng)元間巨大的連接網(wǎng)絡(luò)(~10⁴)，它為大腦提供了高度并行的處理能力。大腦有這樣強(qiáng)大的能力關(guān)鍵在于其擁有神經(jīng)元和突觸組成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。大腦中大約有1012~1014個(gè)突觸，它們是神經(jīng)元之間信息交換的渠道，每個(gè)神經(jīng)元與其他神經(jīng)元之間有1000多個(gè)突觸連接。突觸最突出的特點(diǎn)是具有突觸可塑性，突觸可塑性是生物學(xué)習(xí)和記憶的分子基礎(chǔ)，在大腦神經(jīng)信號(hào)的傳輸中起著至關(guān)重要的作用。科學(xué)家認(rèn)為如果計(jì)算機(jī)可以像大腦一樣實(shí)時(shí)處理復(fù)雜的信息，并且像大腦一樣消耗很少的能量，那么，信息膨脹的問(wèn)題將得以解決，人類(lèi)將進(jìn)入智能信息時(shí)代。研究人員發(fā)現(xiàn)，突觸和憶阻器有著十分相似的傳輸特性，單個(gè)憶阻器便可能模擬一個(gè)突觸的功能，與傳統(tǒng)使用的由多個(gè)晶體管和電容器相結(jié)合的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)來(lái)模擬的單個(gè)突觸相比減少了很多能耗，也降低了集成電路的復(fù)雜性。近年來(lái)各科研小組使用不同的憶阻器件和各種實(shí)驗(yàn)方法成功模擬的突觸可塑性，包括：短時(shí)程可塑性，長(zhǎng)時(shí)程可塑性，雙脈沖抑制，雙脈沖易化，強(qiáng)直后增強(qiáng)，放電時(shí)間依賴可塑性，放電速率依賴可塑性，聯(lián)合性記憶，“經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)”，突觸縮放等。據(jù)此，人們開(kāi)始嘗試使用憶阻器進(jìn)行各種突觸功能的仿真，從而實(shí)現(xiàn)有效的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，并希望通過(guò)向內(nèi)置了憶阻器件的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)中納入類(lèi)似突觸功能的相關(guān)機(jī)制，制造出新一代的自適應(yīng)超高密度智能機(jī)。

從目前國(guó)內(nèi)外總體的研究進(jìn)展來(lái)看，憶阻器仍面臨下列挑戰(zhàn)：1、目前的研究依舊主要集中在無(wú)機(jī)材料方面，有機(jī)材料仍然面臨著器件性能不穩(wěn)定等問(wèn)題；2、憶阻器的機(jī)理有待進(jìn)一步闡釋和系統(tǒng)探討；3、柔性憶阻器的研究很少，為實(shí)現(xiàn)高性能且與人類(lèi)大腦更好的兼容仍需要更深入的研究。

中國(guó)專(zhuān)利cn2011102308795公開(kāi)了一種基于柔性襯底的憶阻器器件及其制作方法在襯底上形成下電極、記憶存儲(chǔ)層和上電極的技術(shù)方案，但是考慮到?jīng)]有介質(zhì)層和修飾層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)有技術(shù)顯得略有不足；中國(guó)專(zhuān)利cn2015105611805公開(kāi)了一種基于纖維襯底的憶阻器及其制備方法，采用了柔性纖維襯底，隔離層、上電極、存儲(chǔ)介質(zhì)層薄膜、下電極、隔離層，但是考慮到結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，現(xiàn)有技術(shù)顯得略有不足；中國(guó)專(zhuān)利cn201410693761x公開(kāi)了一種基于有機(jī)鐵電薄膜材料的憶阻器器件及其制備方法，將有機(jī)鐵電薄膜層應(yīng)用進(jìn)來(lái)，但是考慮到?jīng)]有介質(zhì)層和修飾層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)有技術(shù)顯得略有不足；中國(guó)專(zhuān)利cn201610867902.4公開(kāi)了一種納米薄膜憶阻器及其制備方法，采用下電極、氧化鋁薄膜、氧化鉿/氧化鋅或者氧化鉿/氧化鋁耦合雙層薄膜、上電極，但是考慮到?jīng)]有介質(zhì)層，現(xiàn)有技術(shù)顯得略有不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

解決的技術(shù)問(wèn)題：本申請(qǐng)主要是提出一種具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器及其制備方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在器件性能不穩(wěn)定、能耗較高、線路較復(fù)雜、放電時(shí)間可塑性低和放電速率可塑性低等技術(shù)問(wèn)題，提供了一種具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器器件及其制備方法。

技術(shù)方案：一種具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器，所述具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器從上到下依次為金屬陰極層、修飾層、介質(zhì)層、陽(yáng)極電極層和pet襯底，所述修飾層材料為氧化鋁al2o3。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述介質(zhì)層材料選自zntpp、并四苯或并五苯中的一種或幾種，所述zntpp的分子式為。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述介質(zhì)層是由zntpp、并四苯或并五苯材料單個(gè)構(gòu)成的器件結(jié)構(gòu)，或是由zntpp和并四苯構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，或是由zntpp、并四苯和并五苯三者構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述修飾層的厚度為5~10納米。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述陽(yáng)極電極層采用ito導(dǎo)電薄膜，所述金屬陰極層材料為al。

.作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述介質(zhì)層厚度為30-35nm；金屬陰極層厚100nm。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器的制備方法，包括如下步驟：

第一步：在pet襯底上形成ito導(dǎo)電薄膜，依次經(jīng)過(guò)丙酮、乙醇和超純水擦拭清洗，然后用氮?dú)獯蹈?，形成pet/ito導(dǎo)電薄膜；

第二步：將pet/ito導(dǎo)電薄膜經(jīng)過(guò)紫外臭氧處理5分鐘；

第三步：將第二步紫外臭氧處理好的pet/ito導(dǎo)電薄膜放進(jìn)真空蒸鍍系統(tǒng)中，抽真空至腔內(nèi)壓力低于5×10^-5pa之后，開(kāi)始依次蒸鍍介質(zhì)層、修飾層和金屬陰極層；

第四步：蒸鍍結(jié)束，保持真空狀態(tài)下冷卻至室溫，得到具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述真空蒸鍍介質(zhì)層材料為zntpp，蒸鍍速率為0.5?/s，基板溫度控制為230℃，采用晶振控制厚度在30-35nm；所述的真空蒸鍍修飾層材料為al2o3-x，蒸鍍速率為0.5-1?/s，采用晶振控制厚度在5-10nm；所述真空蒸鍍金屬陰極層材料為al，蒸鍍速度為4-5?/s。

有益效果：本申請(qǐng)所述一種具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器及其制備方法采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明的器件pet/ito/zntpp/al2o3/al具有很好的憶阻特性，器件性能穩(wěn)定，并具有低操作電壓、高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和能在彎曲一定次數(shù)和彎曲不同半徑下重復(fù)模擬基本突觸功能等特點(diǎn)，這些在單層的zntpp器件中都沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)；

2、本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，成本低廉，有利于大規(guī)模批量化生產(chǎn)，介質(zhì)層與修飾層的搭配使用，構(gòu)建了一種高效、可控氧離子遷移通道，獲得了穩(wěn)定高性能，并且興奮抑制活動(dòng)可控轉(zhuǎn)化的憶阻器；

3、本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)首次將修飾層引入到二極管電存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中，具有普適性，在其他一些同類(lèi)型材料進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，器件均會(huì)優(yōu)化器件的憶阻性能，有機(jī)憶阻器機(jī)制的探索提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，能夠逐步建立一套完整可行的有機(jī)憶阻器方案，將生物功能更深入的模擬測(cè)試；

4、本發(fā)明的的器件具有高的產(chǎn)率和穩(wěn)定性，適合作進(jìn)一步的研發(fā)工作，利用中心金屬離子具有配位作用的金屬卟啉材料構(gòu)建氧離子遷移通道，適當(dāng)厚度的金屬卟啉材料可以在外部電場(chǎng)的作用下為氧離子的遷移提供高效、可控的傳輸通道；

5、性能穩(wěn)定，并具有低操作電壓、高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和能在彎曲一定次數(shù)和彎曲不同半徑下模擬基本突觸功能；

6、該器件在在外電場(chǎng)11v作用下表現(xiàn)出非常明顯的憶阻特性并且同時(shí)器件性能穩(wěn)定電導(dǎo)率不會(huì)突變。器件在正向低電壓下處于高電阻低導(dǎo)態(tài)，隨著掃描電壓增大到4v下，器件電流急劇增加，器件電流會(huì)增加到低電阻高導(dǎo)態(tài)，意味著器件從off態(tài)轉(zhuǎn)變到on態(tài)，在隨后的掃描中，器件在正向電壓下維持著穩(wěn)定的回滯，電導(dǎo)率增加；而器件在反向電壓下，器件電流初始處于高電阻低導(dǎo)態(tài)，隨著掃描電壓的增大器件電流會(huì)增加到低電阻高導(dǎo)態(tài),因此器件pet/ito/zntpp/al2o3-x/al表現(xiàn)出很好的憶阻特性；

7、性能穩(wěn)定，基本突觸模擬功能都可以實(shí)現(xiàn)，并且在彎曲一定次數(shù)和彎曲不同半徑下均能保持著優(yōu)越的憶阻性能和生物模擬功能，同時(shí)，相比同類(lèi)型器件結(jié)構(gòu)易于設(shè)計(jì)，發(fā)明產(chǎn)率高，具有普適性，有著重要的研究意義。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明所述具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本申請(qǐng)實(shí)施例1具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器通過(guò)施加正電壓時(shí)的i-v曲線示意圖；

圖3為本申請(qǐng)實(shí)施例1具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器通過(guò)施加負(fù)電壓時(shí)的i-v曲線示意圖

圖4為本申請(qǐng)實(shí)施例1具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器通過(guò)施加正負(fù)電壓時(shí)的維持時(shí)間示意圖；

圖5為本申請(qǐng)實(shí)施例1具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器的類(lèi)人類(lèi)“學(xué)習(xí)—遺忘”曲線圖；

圖6為本申請(qǐng)實(shí)施例1具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器彎曲100次后的類(lèi)人類(lèi)“學(xué)習(xí)—遺忘”曲線圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：1、金屬陰極層，2、修飾層，3、介質(zhì)層，4、陽(yáng)極電極層，5、pet襯底。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明：

在具體實(shí)施中，zntpp購(gòu)于西格瑪奧德里奇公司。

本發(fā)明在實(shí)際制備時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)室溫始終保持在21℃，濕度始終為20%以下。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器具體制備方法包括如下：

第一步：在pet襯底上形成ito導(dǎo)電薄膜，依次經(jīng)過(guò)丙酮、乙醇和超純水擦拭清洗，然后用氮?dú)獯蹈桑纬蓀et/ito導(dǎo)電薄膜。

第二步：將pet/ito導(dǎo)電薄膜經(jīng)過(guò)紫外臭氧處理5分鐘。

第三步：將第二步紫外臭氧處理好的pet/ito導(dǎo)電薄膜放進(jìn)真空蒸鍍系統(tǒng)中，抽真空至腔內(nèi)壓力低于5×10^-5pa之后，開(kāi)始蒸鍍zntpp，蒸鍍速率為0.5?/s，基板溫度控制為230℃，采用晶振控制厚度在30nm；然后蒸鍍al2o3-x，蒸鍍速率為0.5-1?/s，采用晶振控制厚度在5nm；最后蒸鍍al，蒸鍍速度為4-5?/s，厚100nm。薄膜的厚度是采用臺(tái)階儀進(jìn)行測(cè)量。

第四步：蒸鍍結(jié)束，保持真空狀態(tài)下冷卻至室溫，得到具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器。

如圖2和圖3所示，正電壓掃描下，電流隨著0-11v的電壓掃描電流值增加，11-0v的電壓掃描電流值減小，但是隨著掃描循環(huán)的增加，電流總體呈上升趨勢(shì)；負(fù)電壓掃描下，電流隨著0-(-11)v的電壓掃描電流值增加，(-11)-0v的電壓掃描電流值減小，但是隨著掃描循環(huán)的增加，電流總體呈下降趨勢(shì)。

如圖4所示，通過(guò)施加正負(fù)電壓時(shí)的維持時(shí)間示意圖，通過(guò)電學(xué)特性可以模擬生物突觸中的興奮和抑制行為。

如圖5所示，導(dǎo)電性的自發(fā)衰變過(guò)程，即stp，與人類(lèi)記憶中的“遺忘曲線非常類(lèi)似”。

如圖6所示，在彎曲100次后，導(dǎo)電性的自發(fā)衰變過(guò)程，即stp，仍然與人類(lèi)記憶中的“遺忘曲線非常類(lèi)似”。

所有的測(cè)試結(jié)果表明，本發(fā)明所涉及的具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器器件性能優(yōu)良，穩(wěn)定性好，產(chǎn)率高，而且制備過(guò)程操作簡(jiǎn)便，成本低廉，節(jié)約能源，并且利于大規(guī)模推廣研究。

本申請(qǐng)制得的具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器展現(xiàn)的憶阻性能和生物突觸模擬功能在彎曲前后均達(dá)到要求，對(duì)于未來(lái)實(shí)現(xiàn)與人類(lèi)大腦兼容的柔性憶阻器有著重要研究意義。

實(shí)施例2

如圖1所示，一種具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器具體制備方法包括如下：

第一步：在pet襯底上形成ito導(dǎo)電薄膜，依次經(jīng)過(guò)丙酮、乙醇和超純水擦拭清洗，然后用氮?dú)獯蹈?，形成pet/ito導(dǎo)電薄膜。

第二步：將pet/ito導(dǎo)電薄膜經(jīng)過(guò)紫外臭氧處理5分鐘。

第三步：將第二步紫外臭氧處理好的pet/ito導(dǎo)電薄膜放進(jìn)真空蒸鍍系統(tǒng)中，抽真空至腔內(nèi)壓力低于5×10^-5pa之后，開(kāi)始蒸鍍zntpp，蒸鍍速率為0.5?/s，基板溫度控制為230℃，采用晶振控制厚度在35nm；然后蒸鍍al2o3-x，蒸鍍速率為0.5?/s，采用晶振控制厚度在10nm；最后蒸鍍al，蒸鍍速度為4?/s，厚100nm。薄膜的厚度是采用臺(tái)階儀進(jìn)行測(cè)量。

第四步：蒸鍍結(jié)束，保持真空狀態(tài)下冷卻至室溫，得到具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器。

本申請(qǐng)制得的具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器展現(xiàn)的憶阻性能和生物突觸模擬功能在彎曲前后均達(dá)到要求，對(duì)于未來(lái)實(shí)現(xiàn)與人類(lèi)大腦兼容的柔性憶阻器有著重要研究意義。

實(shí)施例3

如圖1所示，一種具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器具體制備方法包括如下：

第一步：在pet襯底上形成ito導(dǎo)電薄膜，依次經(jīng)過(guò)丙酮、乙醇和超純水擦拭清洗，然后用氮?dú)獯蹈?，形成pet/ito導(dǎo)電薄膜。

第二步：將pet/ito導(dǎo)電薄膜經(jīng)過(guò)紫外臭氧處理5分鐘。

第三步：將第二步紫外臭氧處理好的pet/ito導(dǎo)電薄膜放進(jìn)真空蒸鍍系統(tǒng)中，抽真空至腔內(nèi)壓力低于5×10^-5pa之后，開(kāi)始蒸鍍zntpp，蒸鍍速率為0.5?/s，基板溫度控制為230℃，采用晶振控制厚度在33nm；然后蒸鍍al2o3-x，蒸鍍速率為1?/s，采用晶振控制厚度在7nm；最后蒸鍍al，蒸鍍速度為4.5?/s，厚100nm。薄膜的厚度是采用臺(tái)階儀進(jìn)行測(cè)量。

第四步：蒸鍍結(jié)束，保持真空狀態(tài)下冷卻至室溫，得到具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器。

本申請(qǐng)制得的具有生物突觸模擬功能的柔性憶阻器展現(xiàn)的憶阻性能和生物突觸模擬功能在彎曲前后均達(dá)到要求，對(duì)于未來(lái)實(shí)現(xiàn)與人類(lèi)大腦兼容的柔性憶阻器有著重要研究意義。

上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作了詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。