本發(fā)明涉及光電器件，具體涉及一種二維有機(jī)/無機(jī)異質(zhì)結(jié)光電神經(jīng)元器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、光電神經(jīng)元器件是一種結(jié)合光電轉(zhuǎn)換和神經(jīng)模擬功能的新型多功能仿生器件。其核心優(yōu)勢(shì)在于其能夠同時(shí)檢測(cè)和記憶光學(xué)信號(hào)，這使得它們能實(shí)現(xiàn)類似于人類視覺神經(jīng)系統(tǒng)和光遺傳神經(jīng)系統(tǒng)的功能。此種器件通常由光敏材料、導(dǎo)電材料和電介質(zhì)組成，通過光電效應(yīng)和電學(xué)調(diào)控實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換和處理。在光電神經(jīng)元器件中，光敏材料負(fù)責(zé)吸收光能并產(chǎn)生電荷載流子，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；導(dǎo)電材料用于傳輸和處理電荷載流子；電介質(zhì)則起到隔離和調(diào)控電荷傳輸?shù)淖饔?；不同材料共同作用以保證器件的穩(wěn)定性和可靠性。

2、二維材料是一類具有單層或幾層原子厚度的材料，它們?cè)谝粋€(gè)方向上具有納米尺度的厚度，而在其他兩個(gè)方向上可以無限延伸，使得載流子遷移和熱量擴(kuò)散都被限制在二維平面內(nèi)，因而在與光電作用時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不同于三維材料的效果，具有異質(zhì)結(jié)兼容性高、門可調(diào)性和尺寸小的優(yōu)點(diǎn)。二維光電神經(jīng)元器件即是基于此類材料發(fā)展起來的一種新型神經(jīng)形態(tài)器件，它結(jié)合了二維材料的獨(dú)特性質(zhì)和光電效應(yīng)，用以模擬生物神經(jīng)元和突觸的功能；這類器件通常由二維材料（如二維石墨烯、二維過渡金屬硫化物（tmdc）等）構(gòu)成，能夠響應(yīng)光信號(hào)，并能在電場(chǎng)作用下模擬生物突觸的可塑性行為，如長時(shí)程增強(qiáng)（ltp）和長時(shí)程抑制（ltd）等。

3、而據(jù)相關(guān)報(bào)道指出，如將二維有機(jī)小分子材料與原子層狀無機(jī)半導(dǎo)體結(jié)合，還可以實(shí)現(xiàn)不同材料間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，如減輕界面態(tài)結(jié)合、減輕庫侖相互作用、增強(qiáng)光吸收效應(yīng)、改善界面載流子轉(zhuǎn)移等。如中國專利cn117858520a公開的一種二維有機(jī)/無機(jī)異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器，其就是在二維合金材料層表面利用外延生長法構(gòu)建有機(jī)分子層形成異質(zhì)結(jié)，由于異質(zhì)結(jié)缺陷較少，能增強(qiáng)光吸收且不會(huì)導(dǎo)致載流子被捕獲，因而所制探測(cè)器具有出色的檢測(cè)能力、大的光吸收和光電導(dǎo)增益，且具有快的相應(yīng)速度，在成像應(yīng)用中表現(xiàn)出色。但是此專利主要是利用二維合金材料的特性，阻礙光生載流子的生成和遷移，使得所制器件最終具備較低的暗電流和較快的響應(yīng)速度，所以其主要用于光電探測(cè)領(lǐng)域。光電探測(cè)器是用于把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，與光電神經(jīng)元器件不同，二維光電神經(jīng)元器件的神經(jīng)元功能主要體現(xiàn)在其對(duì)輸入光信號(hào)的響應(yīng)和輸出電信號(hào)的調(diào)控上。當(dāng)光信號(hào)照射到器件表面時(shí)，光敏材料吸收光子并產(chǎn)生電荷，導(dǎo)致電荷傳輸和累積；而電荷在導(dǎo)電材料中的傳輸和擴(kuò)散則會(huì)影響器件的電阻、電容等電學(xué)特性，從而實(shí)現(xiàn)類似神經(jīng)元的功能。所以即使均通過設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)制備這兩類器件，不同器件對(duì)構(gòu)成其異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)組成和性能的要求是完全不同的，因而制備工藝上也會(huì)有一定的區(qū)別。

4、現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于將二維有機(jī)小分子材料與原子層狀無機(jī)半導(dǎo)體結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)以構(gòu)建光電神經(jīng)元器件的報(bào)道較少，目前相關(guān)研究還處于起步階段，仍需進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、提高性能，并深入探索其在神經(jīng)形態(tài)模擬、信息處理等方面的潛在應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種二維有機(jī)/無機(jī)異質(zhì)結(jié)光電神經(jīng)元器件并公開了具體的制備方法，有機(jī)分子層與二維tmdc材料形成異質(zhì)結(jié)，賦予光電神經(jīng)元器件出色的光敏性、光適應(yīng)性；該器件能夠在光脈沖刺激下做出電流改變，并能在柵壓的調(diào)控下實(shí)現(xiàn)明亮和黑暗環(huán)境下的視覺自適應(yīng)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種二維有機(jī)/無機(jī)異質(zhì)結(jié)光電神經(jīng)元器件，包括襯底、二維tmdc材料層、薄膜電極和有機(jī)分子層；二維tmdc材料層設(shè)在襯底上，在二維tmdc材料層上利用電子束光刻方法制作出薄膜電極后，再利用倒扣法在二維tmdc材料層上外延生長有機(jī)分子層形成異質(zhì)結(jié)以提升光電神經(jīng)元器件的光敏性和光適應(yīng)性，用于模擬視網(wǎng)膜本質(zhì)光敏神經(jīng)節(jié)細(xì)胞在不同光照下的反應(yīng)。

3、進(jìn)一步地，所述光電神經(jīng)元器件能在光脈沖刺激下做出電流改變，從而模仿人體褪黑素的產(chǎn)生與作用，并能在柵壓的調(diào)控下，實(shí)現(xiàn)明亮和黑暗環(huán)境下的視覺自適應(yīng)。

4、進(jìn)一步地，所述二維tmdc材料層材料為mos2，有機(jī)分子層形成材料為n,n'-二甲基-3,4,9,10-苝四甲酰二亞胺或3,4,9,10-苝四羧酸二酐。

5、上述二維有機(jī)/無機(jī)異質(zhì)結(jié)光電神經(jīng)元器件能模擬視網(wǎng)膜本質(zhì)光敏神經(jīng)節(jié)細(xì)胞在不同光照下的反應(yīng)，模仿人體褪黑素的產(chǎn)生與作用，且能實(shí)現(xiàn)明亮和黑暗環(huán)境下視覺自適應(yīng)的能力，基于此器件具備上述優(yōu)異性質(zhì)，所以該光電神經(jīng)元器件可應(yīng)用在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，且有良好的應(yīng)用前景。

6、上述二維有機(jī)/無機(jī)異質(zhì)結(jié)光電神經(jīng)元器件可制成器件陣列形式，器件陣列包含數(shù)個(gè)分立的光電神經(jīng)元器件，數(shù)個(gè)分立的光電神經(jīng)元器件集結(jié)在同一襯底上且呈陣列排布，相比于單個(gè)器件，每個(gè)器件不僅可以單獨(dú)模仿生物體在短暫光照下的警覺反應(yīng)，而且可以分別代表一個(gè)像素點(diǎn)，完成類似于人眼和大腦協(xié)同的明暗適應(yīng)，模擬集成化圖像識(shí)別，且能同時(shí)對(duì)數(shù)個(gè)器件進(jìn)行柵壓調(diào)控，可操作性強(qiáng)。

7、上述二維有機(jī)/無機(jī)異質(zhì)結(jié)光電神經(jīng)元器件的制備方法如下：

8、1）對(duì)襯底進(jìn)行預(yù)處理；

9、2）將二維tmdc材料剝離在藍(lán)膜上，反復(fù)粘貼對(duì)撕，形成二維tmdc材料/藍(lán)膜結(jié)構(gòu)；

10、3）將pdms薄膜貼合在載玻片上，得pdms/載玻片結(jié)構(gòu)；

11、4）利用機(jī)械剝離的方法將待轉(zhuǎn)移的二維tmdc材料轉(zhuǎn)移至pdms薄膜上，形成載玻片/pdms/?tmdc結(jié)構(gòu)，以待轉(zhuǎn)移的二維tmdc材料為中心剪掉多余的pdms薄膜；

12、5）將帶有二維tmdc材料的載玻片固定于轉(zhuǎn)移臺(tái)的基片卡槽內(nèi)，襯底置于轉(zhuǎn)移臺(tái)的樣品座上；

13、6）通過控制轉(zhuǎn)移平臺(tái)下降貼合、上升分離的速率，使得二維tmdc材料與pdms分離后貼合在襯底上；

14、7）利用電子束光刻法在二維tmdc材料層兩端鍍上薄膜電極；

15、8）將有機(jī)源材料置于管式爐的正中心，上步所得基材倒扣置于有機(jī)源材料正上方，腔室抽真空，惰性氛圍下控制加熱溫度和時(shí)間，在二維tmdc材料上外延生長單層有機(jī)小分子材料晶體后即完成器件制備。

16、進(jìn)一步地，所述二維tmdc材料為mos2；在將二維tmdc材料轉(zhuǎn)移至pdms薄膜上之前需利用uv?ozone處理pdms薄膜表面5?min。

17、進(jìn)一步地，轉(zhuǎn)移到pdms薄膜上的二維tmdc材料均勻、無氣泡，厚0.7?nm、層數(shù)為單層；進(jìn)行二維tmdc材料轉(zhuǎn)移時(shí)，以每5?s下降0.1?μm的速度勻速下降載玻片使得二維tmdc材料貼合在目標(biāo)襯底上，保持貼合狀態(tài)30?s~3?min，之后再以每5?s上升0.1?μm的速度勻速抬起載玻片使得二維tmdc材料完整轉(zhuǎn)移至目標(biāo)襯底上。

18、進(jìn)一步地，步驟7）中，利用電子束光刻法制備的兩條薄膜電極的平行溝道間距為5μm。

19、進(jìn)一步地，步驟8）中，所述有機(jī)源材料為n,n'-二甲基-3,4,9,10-苝四甲酰二亞胺或3,4,9,10-苝四羧酸二酐；管式爐加熱溫度為190~290℃、加熱時(shí)間為15~30?min，使有機(jī)源材料蒸發(fā)以在二維tmdc材料上外延生長單層有機(jī)小分子材料晶體。

20、本發(fā)明的有益效果為：

21、1、本技術(shù)通過設(shè)計(jì)mos2/me-ptcdi異質(zhì)結(jié)制備出一種結(jié)構(gòu)簡單的光電神經(jīng)元器件，有機(jī)分子層與二維tmdc材料層結(jié)合形成的異質(zhì)結(jié)使得光電神經(jīng)元器件具有出色的光敏性、光適應(yīng)性，能模擬視網(wǎng)膜本質(zhì)光敏神經(jīng)節(jié)細(xì)胞在不同光照下的反應(yīng)；該器件能夠在光脈沖刺激下做出電流改變，從而模仿人體褪黑素的產(chǎn)生與作用，并且能在柵壓調(diào)控下做到明亮和黑暗環(huán)境下的視覺自適應(yīng)，相應(yīng)特性使得此器件在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景；

22、2、本技術(shù)在制備光電神經(jīng)元器件時(shí)先制作金電極、后在二維tmdc材料層上生長有機(jī)材料層，外延生長有機(jī)材料層時(shí)爐子的高溫環(huán)境對(duì)電極有退火作用，使得金電極與二維tmdc材料接觸更加緊密良好，且能有效消除光刻殘留雜質(zhì)，也不會(huì)改變異質(zhì)結(jié)的性質(zhì)；

23、3、本技術(shù)利用過渡金屬硫族化合物（tmdc）制備異質(zhì)結(jié)，tmdc作為導(dǎo)電材料有利于傳輸和處理電荷載流子，在其表面利用外延生長法構(gòu)建有機(jī)分子層后，單層me-ptcdi的聚集態(tài)具有強(qiáng)的光吸收和電荷轉(zhuǎn)移性質(zhì)，能有效地對(duì)不同光照脈沖刺激產(chǎn)生不同程度的光電流；

24、4、本技術(shù)采用倒扣法實(shí)現(xiàn)有機(jī)材料層的外延生長，通過減小目標(biāo)基底材料到有機(jī)源的距離，解決了有機(jī)小分子在tmdc材料上不易生長的困難，增大了范德華異質(zhì)結(jié)的形成概率；

25、5、本技術(shù)公開的光電神經(jīng)元器件的制備工藝是將有機(jī)材料層的外延生長過程放在制備流程的最后一步，電極的邊界線與tmdc材料交界處有利于有機(jī)小分子的沉積，更有利于形成高質(zhì)量的均勻薄膜結(jié)構(gòu)，同時(shí)能保障有機(jī)層的新鮮；

26、6、本技術(shù)利用轉(zhuǎn)移平臺(tái)進(jìn)行二維tmdc材料的轉(zhuǎn)移，可以準(zhǔn)確地將多塊二維tmdc材料轉(zhuǎn)移到襯底的不同位置，精準(zhǔn)控制tmdc材料的分布，使其在襯底上進(jìn)行有規(guī)律的排列，為下一步圖案化鍍覆金電極確定了具體位置，方便構(gòu)建器件陣列結(jié)構(gòu)，且轉(zhuǎn)移過程勻速平緩，不會(huì)出現(xiàn)臟污或擠裂現(xiàn)象；

27、7、本技術(shù)利用電子束光刻方法制作金電極，可一次性完成數(shù)十個(gè)器件電極的制作，快速簡潔，能更加準(zhǔn)確控制器件位置、溝道間距、電極大小，生產(chǎn)靈活度更高；

28、8、本技術(shù)制備的光電神經(jīng)元器件陣列結(jié)構(gòu)包含多個(gè)分立的神經(jīng)元器件，相比于單個(gè)器件而言，器件陣列可以實(shí)現(xiàn)更加多樣化的功能，其內(nèi)的每個(gè)器件不僅可以單獨(dú)模仿生物體在短暫光照下的警覺反應(yīng)，而且可以分別代表一個(gè)像素點(diǎn)，完成類似于人眼和大腦協(xié)同的明暗適應(yīng)，用于模擬集成化圖像識(shí)別；

29、9、本技術(shù)制備的光電神經(jīng)元器件陣列上單個(gè)器件之間的間距小、小面積范圍內(nèi)器件數(shù)量多，減少了進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試時(shí)需重新扎針、調(diào)針帶來的不便，而且單個(gè)器件結(jié)構(gòu)相同，溝道距離固定，調(diào)整不同光源時(shí)不易出現(xiàn)光照不均一的問題；

30、10、本技術(shù)公開的異質(zhì)結(jié)光電神經(jīng)元器件的制備過程簡單，制備成本低，有望成為未來低成本功能性神經(jīng)形態(tài)模擬和光電存儲(chǔ)應(yīng)用的可行選擇，也能為相應(yīng)領(lǐng)域的發(fā)展提供新的思路。