CN110797459B - 一种铁电调控的两端导电聚合物人工突触器件及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁电调控的两端导电聚合物人工突触器件及制备方法和应用，其制备方法是在电极表面旋涂有导电聚合物薄膜，然后再在导电聚合物薄膜表面旋涂一层有机铁电聚合物薄膜，最后在有机铁电聚合物薄膜上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、响应速度快及记忆时间长等优点。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，特别是一种基于导电聚合物和有机铁电聚合物的两端人工突触器件及制备方法和应用。
背景技术
人脑是能量消耗极低的最有效的信息处理系统。其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)。这些器件都成功地模拟了生物突触的各种功能，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)。
相对于无机材料来说，有机高分子材料由于其低成本、柔性、可定制性能以及与现代微电子工艺兼容等特性，在制备人工突触器件，尤其是柔性人工突触器件方面具有巨大的优势。导电聚合物(CP)具有独特的离域电子结构，其导电率可在10-9S/cm至105S/cm的范围内可控调节，在制备的有机人工突触器件方面显示出了巨大的应用前景。但是基于传统导电聚合物如PEDOT:PSS、P3HT的人工突触器件需要一层电解质层，用于提供聚合物在氧化过程中所需的掺杂阴离子，并且器件结构多为三端结构。这不仅增加了器件制备工艺的复杂性，而且器件的响应速度也受制于离子的扩散速度，导致器件较大的功耗和较慢响应速度。因此基于导电聚合物的人工突触器件在降低能耗和提高响应速度仍存在巨大挑战。
发明内容
本发明目的是提供一种铁电调控的两端导电聚合物人工突触器件及制备方法和应用，通过有机铁电聚合物薄膜的引入，降低器件能耗和提高响应速度。该器件能够模拟生物突触的行为，实现长时程增强(LTP)、长时程抑制(LTD)和脉冲频率依赖可塑性(SRDP)等功能，且具有功耗低、响应快、记忆时间长、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：
一种铁电调控的两端导电聚合物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：制备旋涂溶液
将有机铁电聚合物溶于碳酸二乙酯溶液或丁酮溶液中，其中有机铁电聚合物的质量分数为1wt％—2.5wt％；导电聚合物溶液溶于水或碳酸二乙酯溶液中，导电聚合物的质量分数为1wt％—15wt％；
步骤3：导电聚合物薄膜和有机铁电聚合物薄膜的旋涂
用滴管取导电聚合物溶液，滴加在旋转的步骤1所清洗过的电极基片上，旋转速度为500r/s-4000r/s,制备导电聚合物薄膜；然后在旋转速度为500r/s-3000r/s的范围内，滴加有机铁电聚合物溶液，在导电聚合物薄膜上制备有机铁电聚合物薄膜；
步骤4：退火
将步骤3中制备好的器件放入真空干燥箱中，在135℃下退火4小时；
步骤5：制备人工突触器件
在步骤4所制得的有机铁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：
所述有机铁电聚合物为聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)；导电聚合物为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT∶PSS)或聚苯胺；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；有机铁电聚合物的厚度为1纳米至100微米。
一种上述方法制得的人工突触器件。
所述人工突触器件为：在下电极上旋涂一层导电聚合物薄膜和有机铁电聚合物作为功能层，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：
在本发明中利用有机铁电聚合物薄膜的铁电极化内建电场来控制维持施加在导电聚合物薄膜上的电压，控制的电子和空穴注入，从而简化器件结构，降低器件能耗和提高响应速度。
本发明中的铁电调控的两端导电聚合物人工突触器件，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，该突触可以通过有机铁电聚合物极化后形成较大的内建电场来控制的电子和空穴注入，并能够维持多个连续电导状态。该器件模拟了重要的生物突触功能，包括EPSC，SRTP和LTP、LTD等。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制备基于导电聚合物PEDOT∶PSS和有机铁电聚合物PVDF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PEDOT∶PSS和有机铁电聚合物PVDF的人工突触器件I-V图；
图3为本发明实施例1制备得到的基于导电聚合物PEDOT∶PSS和有机铁电聚合物PVDF的人工突触器件的突触后电流(EPSC)的衰减时间示意图；
图4为本发明实施例1制备得到的基于导电聚合物PEDOT∶PSS和有机铁电聚合物PVDF的人工突触器件的脉冲频率依赖可塑性(SRDP)；
图5为本发明实施例1制备得到的基于导电聚合物PEDOT∶PSS和有机铁电聚合物PVDF的人工突触器件的长时增强(LTP)和抑制(LTD)的过程示意图；
图6为本发明实施例1制备得到的基于导电聚合物PEDOT∶PSS和有机铁电聚合物PVDF的人工突触器件在任意脉冲幅值下调节增强和抑制的过程示意图。
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
本实施例以聚偏氟乙烯(以PVDF表示)为有机铁电聚合物，以聚3,4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)为导电聚合物，分别具有下式结构：
制备基于导电聚合物和有机铁电聚合物的人工突触器件，具体步骤如下：
(1)将ITO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)将聚偏氟乙烯溶在碳酸二乙酯溶液中来配制旋涂溶液；其中，聚偏氟乙烯的质量分数为2.5wt％；
(3)用滴管取质量分数为1.3wt％的PEDOT:PSS水溶液，滴注在ITO电极上，旋转速度为500r/s-4000r/s，进行PEDOT:PSS薄膜的制备，然后再用步骤2中制得的聚偏氟乙烯溶液，滴注在已经制备好的PEDOT:PSS薄膜上，旋转速度为500r/s-3000r/s，进行PVDF薄膜的制备；
(4)将制备好的ITO放入真空干燥箱中在135度下退火4小时；
(5)采用热蒸发的方法在薄膜表面蒸镀金属铝作为上电极；得到铁电调控的两端导电聚合物人工突触器件，其器件结构如图1所示。
对本实施例制备得到的人工突触器件进行了生物突触的行为模拟。对器件施加从0V到15V再到-15V，最后从-15V回到0V的电压，电流响应如图2所示。对器件施加多个强度相同脉冲电压信号，所测得的突触后电流响应如图3所示。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(SRDP)。通过重复施加相同幅值的负电压，器件可以模拟长时增强效应，而施加相同幅值的正电压，器件可以模拟长时抑制效应，如图5所示。对器件增加不同幅值的电压，器件能够随时根据施加电压进行增强和抑制，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)
1.一种铁电调控的两端导电聚合物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，然后放入无水丙酮中超声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：制备旋涂溶液
将有机铁电聚合物溶于碳酸二乙酯溶液或丁酮溶液中，其中，有机铁电聚合物的质量分数为1wt%—2.5wt%；将导电聚合物溶液溶于水或碳酸二乙酯溶液中，导电聚合物的质量分数为1wt%—15wt%；
步骤3：导电聚合物薄膜和有机铁电聚合物薄膜的旋涂
用滴管取导电聚合物溶液，滴加在旋转的步骤1所清洗过的下电极上，旋转速度为500r/s-4000r/s,制备导电聚合物薄膜；然后在旋转速度为500r/s-3000r/s的范围内，滴加有机铁电聚合物溶液，在导电聚合物薄膜上制备有机铁电聚合物薄膜；
步骤4：退火
将步骤3中制备好的下电极放入真空干燥箱中，在135℃下退火4小时；
步骤5：制备人工突触器件
在步骤4所制得的有机铁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：
所述有机铁电聚合物为聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物；导电聚合物为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸或聚苯胺；
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；有机铁电聚合物的厚度为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所述方法制得的铁电调控的两端导电聚合物人工突触器件。
4.根据权利要求3所述的人工突触器件，其特征在于，所述人工突触器件为：
下电极-导电聚合物薄膜和有机铁电聚合物-上电极形成的三明治结构的两端人工突触器件，其导电聚合物薄膜和有机铁电聚合物为功能层。
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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