CN108987565A - 基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件，包括作为突触前端的背栅电极、依次设置在背栅电极上的隔离层和功能层、以及间隔设置在功能层上的作为基准电极的第一电极和作为突触后端的第二电极，第一电极和第二电极之间形成的沟道结构暴露出部分功能层，功能层的材料包括金属阳离子修饰的黑磷薄片。本发明提供的金属阳离子修饰的黑磷突触器件，环境稳定性好、同时具有优异的突触性能，为类脑计算提供了极具实用价值的重要元器件支撑。本发明还提供了一种基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件的制备方法，方法简单易操作。
Description
技术领域
本发明涉及人工神经网络领域，具体涉及一种基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件及其制备方法。
背景技术
随着数据信息的迅速膨胀，现代基于冯·诺依曼架构的计算机正面临着越来越严峻的挑战，主要表现在处理速度慢和功耗高等方面。作为人类信息处理中心的人脑具有超快速度、超低功耗、超高容错性和可自主学习、无需编程等传统计算机无可比拟的巨大优势。因此，特别是随着深度学习算法的出现，像人脑一样能够对信息进行学习、记忆和灵活处理的类脑计算机是未来计算机发展的方向和目标。突触是人脑神经网络的重要组成部分，是大脑记忆和学习的神经分子基础。因此，对突触进行人工模拟是实现类脑计算机的极其重要而有效的途径。
用电学器件模拟神经突触相关性能的理论较多，但实际器件很少，且相关性能有待进一步提高。因此，进一步开发具有高性能、高稳定性的人工突触器件对类脑计算机的发展具有重要意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件及其制备方法，所述金属阳离子修饰黑磷的突触器件环境稳定性良好、同时突触性能优异。
本发明第一方面提供了金属阳离子修饰黑磷的突触器件，包括作为突触前端的背栅电极、依次设置在所述背栅电极上的隔离层和功能层、以及间隔设置在所述功能层上的作为基准电极的第一电极和作为突触后端的第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间形成的沟道结构暴露出部分所述功能层，所述功能层的材料包括金属阳离子修饰的黑磷薄片。
其中，所述功能层的厚度为5-30nm。
其中，所述金属阳离子包括银离子、铁离子、金离子、镁离子、汞离子和锌离子中的至少一种。
其中，所述金属阳离子通过阳离子-π键作用吸附在所述黑磷薄片的表面。
其中，所述第一电极和所述第二电极之间暴露出的所述功能层沿第一方向的长度为1-10μm，沿第二方向的长度为1-15μm。
其中，所述背栅电极的材质为硅，所述背栅电极的厚度为300-500μm，电阻率为1-10Ω·cm；所述隔离层的材质为二氧化硅，所述隔离层的厚度为200-500nm。
其中，所述第一电极和第二电极的材质为金、钛、铝、铬、钨和镍中的至少一种。
其中，所述第一电极和所述第二电极均为由铬层和金层层叠形成的复合电极，其中，所述铬层与所述功能层接触，所述铬层的厚度为5-10nm，所述金层的厚度为20-80nm。
本发明提供的金属阳离子修饰黑磷的突触器件，环境稳定性良好、同时具有优异的突触性能。
本发明第二方面提供了一种基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件的制备方法，包括：
提供背栅电极和设置在所述背栅电极上的隔离层；
将黑磷薄片转移到所述隔离层上；
在所述黑磷薄片上方以及未被所述黑磷薄片覆盖的隔离层上方旋涂光刻胶，经曝光和显影后，形成电极图案；
沉积电极材料，随后剥离光刻胶，形成第一电极和第二电极，得到突触器件；
将所述突触器件置于含金属阳离子的溶液中浸泡0.2-2h，取出干燥后，得到基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件。
其中，所述含金属阳离子的溶液中金属阳离子的浓度为1×10-10-1×10-4mol/L。
本发明提供的基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件的制备方法，方法简单易操作，制得了一种高性能的、环境稳定的突触器件。
综上，本发明有益效果包括以下几个方面：
1、本发明提供的基于金属阳离子修饰黑磷的黑磷突触器件，环境稳定性良好、同时具有优异的突触性能。
2、本发明提供的基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件的制备方法，方法简单易操作，制得了一种高性能的、环境稳定的突触器件。
附图说明
图1为本发明一实施方式提供的一种基于金属离子修饰黑磷的突触器件的结构图；
图2为本发明一实施方式提供的基于金属离子修饰黑磷的突触器件制备方法流程图；
图3为本发明实施例1基于纯黑磷突触器件和基于银离子修饰黑磷的突触器件的回滞特性图；
图4为本发明实施例1基于纯黑磷突触器件和基于银离子修饰黑磷的突触器件的突触权重图；
图5为本发明实施例1基于纯黑磷突触器件和基于银离子修饰黑磷的突触器件的长时程可塑性图；
图6为本发明实施例2基于纯黑磷突触器件和基于铁离子修饰黑磷的突触器件的回滞特性图；
图7为本发明实施例3基于纯黑磷突触器件和基于金离子修饰黑磷的突触器件的回滞特性图。
具体实施方式
以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
参照图1，本发明实施方式第一方面提供了一种基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件，包括作为突触前端的背栅电极1、依次设置在所述背栅电极1上的隔离层2和功能层3、以及间隔设置在所述功能层3上的作为基准电极的第一电极4和作为突触后端的第二电极5，所述第一电极4和所述第二电极5之间形成的沟道结构暴露出部分所述功能层3，所述功能层3的材料包括金属阳离子修饰的黑磷薄片。
本发明实施方式中，所述背栅电极1的材质为硅，所述背栅电极1的厚度为300-500μm，电阻率为1-10Ω·cm。
本发明实施方式中，所述隔离层2的材质为二氧化硅，所述隔离层2的厚度为200-500nm。
本发明实施方式中，所述功能层的厚度为5-30nm。
本发明实施方式中，所述黑磷薄片是从黑磷单晶块通过撕胶带的方法得到的。
本发明实施方式中，所述功能层是由一整块黑磷薄片形成的。所述黑磷薄片的厚度为5-30nm。可选地，所述黑磷薄片的厚度为20-30nm。可选地，所述黑磷薄片的厚度为5-20nm。进一步可选地，所述黑磷薄片的厚度为5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、11nm、12nm、13nm、14nm、15nm、16nm、17nm、18nm、19nm、20nm、21nm、22nm、23nm、24nm、25nm、26nm、27nm、28nm、29nm或30nm。
本发明实施方式中，所述金属阳离子包括银离子、铁离子、金离子、镁离子、汞离子和锌离子中的至少一种。可选地，所述金属阳离子通过阳离子-π键作用吸附在所述黑磷薄片的表面。本发明采用金属阳离子修饰黑磷薄片，一方面可以提高黑磷薄片的环境稳定性。另一方面由于金属阳离子层对背栅电压注入的电子的捕获作用，会出现回滞现象，从而提高突触器件的性能。
可选地，所述黑磷薄片上吸附的金属阳离子厚度可忽略不计，因此，金属阳离子修饰的黑磷薄片的厚度约等于所述黑磷薄片的厚度。
本发明实施方式中，所述第一电极4(即对应于场效应晶体管的源极)和第二电极5(即对应于场效应晶体管的漏极)的材质为金、铜、钛、铝、铬、钨和镍中的至少一种。可选地，所述第一电极4和第二电极5均为由铬层和金层层叠形成的复合电极，其中，所述铬层与所述功能层接触，所述铬层的厚度为5-10nm，所述金层的厚度为20-80nm。所述第一电极4和第二电极5连接外部电源。可选地，所述第一电极4和第二电极5设置在所述黑磷薄片层相对设置的两端。可选地，所述第一电极4和第二电极5与所述功能层实现接触即可，至于接触的面积不做特殊限定。可选地，所述第一电极4和第二电极5中的一部分与所述功能层3部分接触，另一部分与所述隔离层2接触。
请参照图1，本发明实施方式中，所述第一电极4和第二电极5之间暴露出的功能层沿第一方向的长度(即图1中L)为1-10μm，沿第二方向的长度(即图1中W)为1-15μm。其中，所述第一方向为垂直于第一电极4和第二电极5延伸方向的方向，所述第二方向为平行于第一电极4和第二电极5延伸方向的方向，即所述第一方向与所述第二方向垂直。可选地，所述第一电极4和第二电极5之间暴露出的功能层的长度L为3μm，宽度W为10μm。
本发明提供的基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件工作或调制过程为：
(1).若在背栅电极施加正向和负向扫描电压，由于金属阳离子对背栅电压注入的电子的捕获作用，会出现回滞现象；
(2).若在背栅电极(突触前端)施加单个电压脉冲，由于金属阳离子对背栅电压脉冲注入的电子的捕获作用，脉冲电压注入前后，会出现第二电极(突触后端)电流变大或变小的现象，即器件具有突触权重特性；
(3).若在背栅电极(突触前端)施加持续的电压脉冲，由于金属阳离子对背栅电压脉冲注入的电子的捕获作用，随着电压脉冲的持续注入，会出现第二电极(突触后端)电流持续变大或变小的现象，即器件具有突触长时程可塑性。
本发明提供的突触器件是用于模拟神经元突触结构，由于该器件具有突触的基本功能，即单个电压脉冲依赖的突触前、后端电流改变特性(对应人脑的短时记忆)和多个电压脉冲依赖的突触前、后端电流持续改变特性(对应人脑的长时记忆)。故该器件有望用于未来的类脑计算芯片中。
本发明提供的基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件，环境稳定性好、同时具有优异的突触性能。这表明该突触器件能够在空气环境中持续稳定的高效工作。即在提高器件性能的同时、可以省去为了防止二维黑磷氧化等问题必须要进行的器件封装保护的过程，为器件的实际生产使用大大地简化了加工工序，为类脑计算提供了极具实用价值的重要元器件支撑。
请参照图2，本发明实施方式第二方面提供了一种基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件的制备方法，包括：
S01、提供背栅电极1和设置在所述背栅电极1上的隔离层2；
S02、将黑磷薄片31转移到所述隔离层2上；
S03、在所述黑磷薄片31上方以及未被所述黑磷薄片31覆盖的隔离层2上方旋涂光刻胶7，经曝光和显影后，形成电极图案8；
S04、沉积电极材料，随后剥离光刻胶，形成第一电极4和第二电极5，得到突触器件；
S05、将所述突触器件置于含金属阳离子的溶液中浸泡0.2-2h，取出干燥后，得到基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件。
本发明实施方式中，步骤S01中，提供p型或n型掺杂的具有二氧化硅层的硅片，所述硅片包括两层，分别为二氧化硅层和硅层，所述硅层的厚度为300-500μm，电阻率为1-10Ω·cm，所述二氧化硅层厚度为200-500nm。其中，所述硅层作为背栅电极1，所述二氧化硅层作为隔离层2。具体地，用硅片刀将商业用标准4英寸p型或n型掺杂的单抛氧化硅片切成1×1cm2大小，得到待使用的硅片。
本发明实施方式中，步骤S01中还包括对所述硅片进行清洗的操作，所述清洗按照以下方法操作：
将待使用的硅片依次通过丙酮溶液、异丙醇(或为乙醇)分别超声3-5分钟，再用去离子水超声3-8min，并用高纯氮气快速吹干待用。
本发明实施方式中，步骤S02中，所述黑磷薄片31的制备方法包括：
提供黑磷单晶块，将黑磷单晶块粘到胶带上，反复撕10-20次，得到黑磷薄片31。
本发明实施方式中，将得到的黑磷薄片31转移到有机薄膜6上，随后将所述有机薄膜6上的黑磷薄片转移到所述隔离层2上。
具体地，所述胶带为Scotch胶带。所述有机薄膜6包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜。通过撕胶带的方法可以得到厚度较薄的黑磷薄片，同时该方法简单易操作。
本发明实施方式中，步骤S03中，在所述黑磷薄片31上方以及未被所述黑磷薄片31覆盖的隔离层2上方旋涂一层光刻胶7(PMMA)(型号为950，A4-A10)，转速为2000-4000转/分钟，并在加热板上烘1-5分钟，烘干温度为50-180℃。将涂有光刻胶的样品进行电子束曝光，并通过显影工艺得到特定的电极图案8。所述电极图案8为穿透所述光刻胶且暴露出部分所述黑磷薄片的两个通孔。
本发明实施方式中，步骤S04中，在所述通孔上方进行沉积电极材料，所述电极材料填充所述通孔并与所述黑磷薄片相接触，形成第一电极4和第二电极5。可选地，通过热蒸镀或磁控溅射等方法进行沉积。可选地，首先沉积5-10nm厚度的铬层9，然后再沉积20-80nm厚度的金层10以形成复合电极。沉积结束之后，将蒸镀好铬/金电极的样品放入丙酮等有机溶剂中浸泡用于剥离光刻胶，并放置在加热板上加热10-30分钟，其中加热板温度设置为30-50℃，最后取出样品用高纯氮气快速吹干即可。
本发明实施方式中，步骤S05中，所述含金属阳离子的溶液中金属阳离子的摩尔浓度为1×10-10-1×10-4mol/L。可选地，所述含金属阳离子的溶液为包括银离子、铁离子、金离子、镁离子、汞离子和锌离子中的至少一种阳离子的溶液。可选地，所述含金属阳离子的溶液为含金属盐的溶液，如为金属氯化盐、金属硝酸盐、金属硫酸盐等溶液。可选地，所述含金属阳离子的溶液中的溶剂为有机溶剂。进一步可选地，所述有机溶剂为不含有-OH和-COOH的有机溶剂。进一步可选地，所述有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)。可选地，浸泡结束后，取出突触器件，用高纯氮气快速吹干待用，得到基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件。
本发明采用金属阳离子修饰黑磷的方法，并采用场效应管型器件结构，制得了一种高性能的、环境稳定的突触器件。制备方法简单易操作，该方法在解决黑磷环境稳定性问题的同时，显著提高了突触器件的突触特性，极具实用价值，制得的突触器件为类脑计算提供了重要的元器件支撑。
实施例1
如附图1所示，本发明提供的一种基于银离子修饰黑磷的突触器件，该器件为场效应管型结构，功能层为银离子修饰的黑磷薄片。该器件自下而上依次具有p型或n型掺杂的硅层1、二氧化硅层2、银离子修饰的黑磷薄片3、第一电极4和第二电极5。硅层的厚度为300μm，电阻率为1-10Ω·cm。二氧化硅层的厚度为300nm。银离子修饰的黑磷薄片的厚度为20nm。第一电极、第二电极均为铬/金材料，其中铬层的厚度为5nm，金层的厚度为40nm。即第一电极和第二电极分别为5nm厚的铬层和40nm厚的金层层叠形成的复合电极。
一种基于银离子修饰黑磷的突触器件的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)清洗硅片。用硅片刀将商业用标准4英寸p型或n型掺杂的单抛氧化硅片(硅部分的厚度为300μm，电阻率为1-10Ω·cm，硅部分对应于背栅电极，SiO2部分的厚度为300nm，对应于隔离层)切成1×1cm2大小，通过丙酮溶液、异丙醇分别超声5分钟，再用去离子水超声5min并用高纯氮气快速吹干待用；
(2)制备黑磷薄片。取少量黑磷单晶块粘到胶带(如Scotch胶带)上，反复撕10-20次，再将撕好的样品转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上，最后将PDMS薄膜上的样品转移到步骤(1)中清洗干净的待用硅片上；
(3)旋涂烘干。在上述硅片表面旋涂一层光刻胶PMMA(A4)，转速为3000转/分钟，并在加热板上烘5分钟，烘干温度为120℃；
(4)电子束曝光、显影。将涂有光刻胶的样品进行电子束曝光，并通过显影工艺得到特定的电极图案；
(5)镀膜。通过热蒸镀的方法先后蒸镀5nm的铬和40nm的金；
(6)去金。将蒸镀好铬/金电极的样品放入丙酮中浸泡，并放置在加热板上加热10分钟，其中加热板温度设置为50℃，最后取出样品用高纯氮气快速吹干即可；
(7)纯黑磷突触器件性能测试。取步骤(6)中得到的器件，利用半导体特性分析仪进行相关性能测试。具体地：(a)用硅片刀在硅片的一个角划开二氧化硅层；(b)将其放在半导体特性分析仪配套的探针平台上，通过配套的CCD成像系统找到突触器件的准确位置；(c)选取探针平台配套的两个探针分别接触到第一电极和第二电极，选取另一探针接触通过划开二氧化硅层而暴露出的硅层，当作背栅电极。设置第二电极电压为1V，第一电极电压为0V。背栅电极输入-60V-60V双向扫描电压，得到回滞特性图；背栅电极输入单个电压脉冲，得到突触权重特性图；背栅电极输入100个正向和100个负向连续电压脉冲，得到突触长时程可塑性特性图(见附图3、4、5)；
(8)银离子修饰。将步骤(7)中测试之后的器件放入到配制好的10-6mol/L的硝酸银溶液(溶剂为N-甲基吡咯烷酮，即NMP)中浸泡0.5h，然后迅速取出并用高纯氮气快速吹干，制得基于银离子修饰黑磷的突触器件；
(9)基于银离子修饰黑磷的突触器件性能测试。取步骤(8)中得到的器件，利用半导体特性分析仪进行相关性能测试，同步骤(7)得到相关特性图(见附图3、4、5)。
实施例2
如附图1所示，本发明提供的一种基于铁离子修饰黑磷的突触器件，该器件为场效应管型结构，功能层为铁离子修饰的黑磷薄片。该器件自下而上依次具有p型或n型掺杂的硅层1、二氧化硅层2、铁离子修饰的黑磷薄片3、第一电极4和第二电极5。硅层的厚度为500μm，电阻率为1-10Ω·cm。二氧化硅层的厚度为300nm。铁离子修饰的黑磷薄片的厚度为20nm。第一电极、第二电极均为铬/金材料，其中铬的厚度为5nm，金的厚度为40nm。即第一电极和第二电极分别为5nm厚的铬层和40nm厚的金层层叠形成的复合电极。
一种基于铁离子修饰黑磷的突触器件的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)清洗硅片。用硅片刀将商业用标准4英寸p型或n型掺杂的单抛氧化硅片(硅部分的厚度为500μm，电阻率为1-10Ω·cm，硅部分对应于背栅电极，SiO2部分的厚度为300nm，对应于隔离层)切成1×1cm2大小，通过丙酮溶液、异丙醇分别超声5分钟，再用去离子水超声5min并用高纯氮气快速吹干待用。
(2)制备黑磷薄片。取少量黑磷单晶块粘到胶带(如Scotch胶带)上，反复撕10-20次，再将撕好的样品转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上，最后将PDMS薄膜上的样品转移到步骤(1)中清洗干净的待用硅片上。
(3)旋涂烘干。在上述硅片表面旋涂一层光刻胶PMMA(A4)，转速为3000转/分钟，并在加热板上烘5分钟，烘干温度为120℃。
(4)电子束曝光、显影。将涂有光刻胶的样品进行电子束曝光，并通过显影工艺得到特定的电极图案。
(5)镀膜。通过热蒸镀的方法先后蒸镀5nm的铬和40nm的金。
(6)去金。将蒸镀好铬/金电极的样品放入丙酮中浸泡，并放置在加热板上加热30分钟，其中加热板温度设置为30℃，最后取出样品用高纯氮气快速吹干即可。
(7)纯黑磷突触器件性能测试。取步骤(6)中得到的器件，利用半导体特性分析仪进行相关性能测试。具体地，可按照实施例1的步骤(a)、(b)、(c)进行操作。设置第二电极电压为1V，第一电极电压为0V。背栅电极输入-60V-60V双向扫描电压，得到回滞特性图；背栅电极输入单个电压脉冲，得到突触权重特性图；背栅电极输入100个正向和100个负向连续电压脉冲，得到突触长时程可塑性特性图(见附图6)。
(8)铁离子修饰。将步骤(7)中测试之后的器件放入到配制好的10-6mol/L的氯化铁溶液(溶剂为N-甲基吡咯烷酮，即NMP)中浸泡0.5h，然后迅速取出并用高纯氮气快速吹干，制得基于铁离子修饰黑磷的突触器件；
(9)基于铁离子修饰黑磷的突触器件性能测试。取步骤(8)中得到的器件，利用半导体特性分析仪进行相关性能测试，同步骤(7)得到相关特性图(见附图6)。
实施例3
如附图1所示，本发明提供的一种基于金离子修饰黑磷的突触器件，该器件为场效应管型结构，功能层为金离子修饰的黑磷薄片。该器件自下而上依次具有p型或n型掺杂的硅层1、二氧化硅层2、金离子修饰的黑磷薄片3、第一电极4和第二电极5。硅层的厚度为400μm，电阻率为1-10Ω·cm。二氧化硅层的厚度为300nm。金离子修饰的黑磷薄片的厚度为20nm。第一电极、第二电极均为铬/金材料，其中铬的厚度为5nm，金的厚度为40nm。
一种基于金离子修饰黑磷的突触器件的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)清洗硅片。用硅片刀将商业用标准4英寸p型或n型掺杂的单抛氧化硅片(硅部分的厚度为400μm，电阻率为1-10Ω·cm，硅部分对应于背栅电极，SiO2部分的厚度为300nm，对应于隔离层)切成1×1cm2大小，通过丙酮溶液、异丙醇分别超声5分钟，再用去离子水超声5min并用高纯氮气快速吹干待用。
(2)制备黑磷薄片。取少量黑磷单晶块粘到胶带(如Scotch胶带)上，反复撕10-20次，再将撕好的样品转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上，最后将PDMS薄膜上的样品转移到步骤(1)中清洗干净的待用硅片上。
(3)旋涂烘干。在上述硅片表面旋涂一层光刻胶PMMA(A4)，转速为3000转/分钟，并在加热板上烘5分钟，烘干温度为120℃。
(4)电子束曝光、显影。将涂有光刻胶的样品进行电子束曝光，并通过显影工艺得到特定的电极图案。
(5)镀膜。通过热蒸镀的方法先后蒸镀5nm的铬和40nm的金。
(6)去金。将蒸镀好铬/金电极的样品放入丙酮中浸泡，并放置在加热板上加热20分钟，其中加热板温度设置为40℃，最后取出样品用高纯氮气快速吹干即可。
(7)纯黑磷突触器件性能测试。取步骤(6)中得到的器件，利用半导体特性分析仪进行相关性能测试。具体地，可按照实施例1的步骤(a)、(b)、(c)进行操作。设置第二电极电压为1V，第一电极电压为0V。背栅电极输入-60V-60V双向扫描电压，得到回滞特性图；背栅电极输入单个电压脉冲，得到突触权重特性图；背栅电极输入100个正向和100个负向连续电压脉冲，得到突触长时程可塑性特性图(见附图7，图中纯BP代表纯黑磷)。
(8)金离子修饰。将步骤(7)中测试之后的器件放入到配制好的10-6mol/L的氯金酸溶液(溶剂为N-甲基吡咯烷酮，即NMP)中浸泡0.5h，然后迅速取出并用高纯氮气快速吹干，制得基于金离子修饰黑磷的突触器件；
(9)基于金离子修饰黑磷的突触器件性能测试。取步骤(8)中得到的器件，利用半导体特性分析仪进行相关性能测试，同步骤(7)得到相关特性图(见附图7)。
图3为银离子修饰前后突触器件回滞特性图，其中，(a)图和(b)图分别是银离子修饰前后，突触器件的回滞特性图。结果表明银离子修饰之后，器件的回滞特性得到了增强。
图4为银离子修饰前后突触器件突触权重特性图，其中，(a)图和(b)图分别是银离子修饰前后，突触器件在单个正向脉冲刺激突触前端时，突触后端对应的电流增大响应；(c)图和(d)图分别是银离子修饰前后，突触器件在单个负向脉冲刺激突触前端时，突触后端对应的电流减小响应。结果表明银离子修饰之后，器件突触权重(可用ΔPSC/PSC量化表示)明显增大。
图5为银离子修饰前后突触器件长程可塑性特性图；其中，(a)图和(b)图分别是银离子修饰前后，突触器件在持续多个正向和负向脉冲训练时的长程可塑性特性图。结果表明银离子修饰之后，长时程可塑性得到了增强。
图6为铁离子修饰前后突触器件回滞特性图，其中，(a)图和(b)图分别是铁离子修饰前后，突触器件的回滞特性图。结果表明铁离子修饰之后，回滞特性得到了增强。
图7为金离子修饰前后突触器件回滞特性图，其中，(a)图和(b)图分别是金离子修饰前后，突触器件的回滞特性图。结果表明金离子修饰之后，回滞特性得到了增强。
金属阳离子修饰黑磷薄片后，以阳离子-π键作用的作用方式附着在黑磷表层，相当于为黑磷薄片提供了一层带正电的金属阳离子层。1.若在背栅电极施加正向和负向扫描电压，由于金属阳离子层对背栅电压注入的电子的捕获作用，会出现回滞现象。2.若在背栅电极(突触前端)施加单个电压脉冲，由于金属阳离子层对背栅电压脉冲注入的电子的捕获作用，脉冲电压注入前后，会出现第二电极(突触后端)电流变大或变小的现象，即器件具有突触权重特性。3.若在背栅电极(突触前端)施加持续的电压脉冲，由于金属阳离子层对背栅电压脉冲注入的电子的捕获作用，随着电压脉冲的持续注入，会出现第二电极(突触后端)电流持续变大或变小的现象，即器件具有突触长时程可塑性。因此，本发明通过对突触器件中的黑磷进行金属阳离子修饰，在解决黑磷环境稳定性问题的同时，显著提高了突触器件的突触特性，为类脑计算提供了极具实用价值的重要元器件支撑。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件，其特征在于，包括作为突触前端的背栅电极、依次设置在所述背栅电极上的隔离层和功能层、以及间隔设置在所述功能层上的作为基准电极的第一电极和作为突触后端的第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间形成的沟道结构暴露出部分所述功能层，所述功能层的材料包括金属阳离子修饰的黑磷薄片。
2.如权利要求1所述的突触器件，其特征在于，所述功能层的厚度为5-30nm。
3.如权利要求1所述的突触器件，其特征在于，所述金属阳离子包括银离子、铁离子、金离子、镁离子、汞离子和锌离子中的至少一种。
4.如权利要求1所述的突触器件，其特征在于，所述金属阳离子通过阳离子-π键作用吸附在所述黑磷薄片的表面。
5.如权利要求1所述的突触器件，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极之间暴露出的所述功能层沿第一方向的长度为1-10μm，沿第二方向的长度为1-15μm。
6.如权利要求1所述的突触器件，其特征在于，所述背栅电极的材质为硅，所述背栅电极的厚度为300-500μm，电阻率为1-10Ω·cm；所述隔离层的材质为二氧化硅，所述隔离层的厚度为200-500nm。
7.如权利要求1所述的突触器件，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的材质为金、钛、铝、铬、钨和镍中的至少一种。
8.如权利要求7所述的突触器件，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极均为由铬层和金层层叠形成的复合电极，其中，所述铬层与所述功能层接触，所述铬层的厚度为5-10nm，所述金层的厚度为20-80nm。
9.一种基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件的制备方法，其特征在于，包括：
提供背栅电极和设置在所述背栅电极上的隔离层；
将黑磷薄片转移到所述隔离层上；
在所述黑磷薄片上方以及未被所述黑磷薄片覆盖的隔离层上方旋涂光刻胶，经曝光和显影后，形成电极图案；
沉积电极材料，随后剥离光刻胶，形成第一电极和第二电极，得到突触器件；
将所述突触器件置于含金属阳离子的溶液中浸泡0.2-2h，取出干燥后，得到基于金属阳离子修饰黑磷的突触器件。
10.如权利要求9所述的突触器件的制备方法，其特征在于，所述含金属阳离子的溶液中金属阳离子的浓度为1×10-10-1×10-4mol/L。
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