CN109755385A - 基于功能化聚噻吩类的人工突触器件及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于功能化聚噻吩类导电聚合物的人工突触两端器件及制备方法和应用。其制备方法是在功能化噻吩单体的溶液中采用电化学聚合的方法在电极表面生成薄膜作为人工突触器件的功能层,然后在功能层薄膜上面热蒸发一层导体作为上电极,形成三明治的器件结构。其中所述电极为金、银、铜、铝、铟锡氧化物等导体。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,响应快等优点。其制备方法操作步骤简单,成本低,易于实施,并且安全、环保。
Description
技术领域
本发明涉及人工突触器件制备技术领域,特别是一种基于功能化聚噻吩类导电聚合物的两端人工突触器件的制备方法。
背景技术
人脑是能量消耗极低的最有效的信息处理系统。它通过神经网络以并行方式存储和处理大量信号,其中突触通过调整突触权重发挥模拟逻辑,记忆和学习的功能作用。受突触的生物学功能的启发,构建人工突触装置以获得低能耗和高效率的神经形态网络已经取得了巨大的效果。自Diorio等人在1996年提出了一种基于浮栅硅晶体管的人工突触装置以来,已经构建了各种装置来模仿基于不同机制的生物突触的功能,例如金属氧化物电阻忆阻器,相变存储器,铁电器件和场-效应晶体管(FET)。生物突触的功能各种功能,包括长时程增强(LTP),长期抑制(LTD),峰值时间依赖性可塑性(STDP)和峰值速率依赖性可塑性(SRDP),都能够通过这些设备成功实现。与无机材料相比,有机电材料具有低成本、柔性和可定制的优点,适合于通过化学合成来应用。此外,有机电子器件的制造工艺相对便宜,并且与传统的微电制造技术兼容。尽管有机人工合成领域取得了很大进展,但在这一领域仍存在巨大挑战,包括材料,稳定性,速度和能耗。
发明内容
本发明目的是提供一种基于功能化聚噻吩类导电聚合物的人工突触器件及制备方法,该器件能够模拟生物突触的行为,实现双脉冲易化(PPF)、长时增强(LTP)、脉冲时间依赖可塑性(STDP)和脉冲频率依赖可塑性(STRP)等功能。且具有功耗低,响应快,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的应用。
实现本发明目的的具体技术方案是:
一种基于功能化聚噻吩类导电聚合物的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:制备电聚合溶液
将功能化噻吩单体与高氯酸锂溶于乙腈或二氯甲烷中;其中,高氯酸锂的浓度为0.05~1mol/L,功能化噻吩单体浓度为0.001~0.1mol/L;
步骤3:导电聚合物薄膜的生长
取步骤2制得的溶液放入烧杯中,采用三电极体系,下电极作为工作电极,AgCl/Ag参比电极、Pt丝作为对电极,采用循环伏安法,扫描电位范围为-0.05V到1.6V,进行导电聚合物薄膜的生长;
步骤4:制备人工突触器件
在步骤3所制得的导电聚合物薄膜上热蒸镀一层导体作为上电极,制得所述的人工突触器件;其中:
所述功能化聚噻吩具有如下的分子结构:
其中R=H;
或m为0~6;n为100~100000;
所述上、下电极为导体;
所述导电聚合物薄膜的厚度为1纳米至100微米。
所述导体为金、银、铜、铝或铟锡氧化物。
一种上述方法制得的人工突触器件。
所述人工突触器件为:在下电极上电聚合一层功能化聚噻吩类导电聚合物薄膜作为功能层,再在功能层上热蒸镀一层导体作为上电极,形成三明治结构的两端人工突触器件。一种上述的人工突触器件在人工智能硬件和人工神经网络硬件方面的应用。
与现有技术相比,本发明有益效果:
本发明的基于功能化聚噻吩类导电聚合物的人工突触器件,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,该突触仅需要非常低的“写入”电压来触发导电聚合物薄膜的氧化或还原,从而产生多个连续电导状态。突触模拟重要的突触功能,包括PPF,SRTP和STDP。此外,该人工突触器件对电脉冲具有极快且敏感的响应,具有超低能耗。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所制备基于导电聚合物PMTAA的人工突触器件的结构示意图;
图2为本发明实施例1制备得到的基于导电聚合物PMTAA的人工突触器件的对不同双脉冲间隔的响应电流;
图3为本发明实施例1制备得到的基于导电聚合物PMTAA的人工突触器件的双脉冲易化作用(PPF);
图4为本发明实施例1制备得到的基于导电聚合物PMTAA的人工突触器件的脉冲频率依赖可塑性(STDP);
图5为本发明实施例1制备得到的基于导电聚合物PMTAA的人工突触器件施加不同脉冲的时间依赖可塑性;
图6为本发明实施例1制备得到的基于导电聚合物PMTAA的人工突触器件在不同触发电压下的功耗。
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
本实施例以聚3-(4’,4”-二甲基-(2':2”,5”:2”'-三噻吩)-3”-基)丙烯酸(以PMTAA表示)为导电聚合物,具有下式结构:
式中,n=5000;
制备基于导电聚合物的人工突触器件,具体步骤如下:
(1)将金电极放入去离子水中超声2分钟,然后放入丙酮溶液中超声2分钟,再放入异丙醇中超声2分钟,最后将电极放入真空干燥箱中干燥。
(2)将高氯酸锂、3-(4’,4”-二甲基-(2':2”,5”:2”'-三噻吩)-3”-基)丙烯酸(MTAA)溶在乙腈溶液中来配制电聚合溶液。其中高氯酸锂浓度为0.1mol/L,MTAA为0.001mol/L。
(3)取25mL步骤(2)中制备的溶液放入烧杯中,将金电极作为工作电极,Ag/AgCl作为参比电极,铂丝作为对电极,采用循环伏安法进行PMTAA薄膜的生长。电压下扫描范围为-0.05V-1.1V,扫描速度为100mV/s。
(4)用乙腈清洗PMTAA薄膜,干燥后,采用热蒸发的方法在薄膜表面蒸镀金属铝作为上电极。得到的器件结构如图1所示。
对本实施例制备得到的基于导电聚合物的人工突触器件进行了生物突触的行为模拟。对器件施加强度相同但间隔时间不同的双脉冲电压信号,所测得的电流响应如图2所示。随着两个脉冲信号间隔时间的减小,第二脉冲导致的电流显著增大,双脉冲易化指数增大(图3),这与生物突触的双脉冲易化行为一致。对不同频率的脉冲频率响应如图4所示,频率越大,响应电流越大,表现出对刺激频率依赖可塑性。通过改变脉冲的时间,该器件可以模拟长时增强效应,如图5所示。该器件根据所施加脉冲电压的幅度和时间,功耗在飞焦量级,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。
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。
Claims (5)
1.一种基于功能化聚噻吩类导电聚合物的人工突触器件的制备方法,其特征在于,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:制备电聚合溶液
将功能化噻吩单体与高氯酸锂溶于乙腈或二氯甲烷中;其中,高氯酸锂的浓度为0.05~1mol/L,功能化噻吩单体浓度为0.001~0.1mol/L;
步骤3:导电聚合物薄膜的生长
取步骤2制得的溶液放入烧杯中,采用三电极体系,下电极作为工作电极,AgCl/Ag参比电极、Pt丝作为对电极,采用循环伏安法,扫描电位范围为-0.05V到1.6V,进行功能化聚噻吩类导电聚合物薄膜的生长;
步骤4:制备人工突触器件
在步骤3所制得的导电聚合物薄膜上热蒸镀一层导体作为上电极,制得所述的人工突触器件;其中:
所述功能化聚噻吩具有如下的分子结构:
其中R=H;
或m为0~6;n为100~100000;
所述上、下电极为导体;
所述导电聚合物薄膜的厚度为1纳米至100微米。
2.根据权利要求1所述的人工突触器件的制备方法,其特征在于,所述导体为金、银、铜、铝或铟锡氧化物。
3.一种权利要求1所述方法制得的人工突触器件。
4.根据权利要求3所述的人工突触器件,其特征在于,该人工突触器件为:在下电极上电聚合一层功能化聚噻吩类导电聚合物薄膜作为功能层,再在功能层上热蒸镀一层导体作为上电极,形成三明治结构的两端人工突触器件。
5.一种权利要求3所述的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。
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