CN110854265A - 一种基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于忆阻器领域，具体涉及一种基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器及其制备方法和应用。本发明中所制备的Al/PDA‑BP薄膜/ITO/PET器件的电流‑电压特性曲线表现出了忆阻器性能，并成功模拟了神经突触的非线性电流传输特性，这为黑磷材料应用于忆阻器领域提供了参考。具体来说，柔性PET基底上的导电ITO薄膜作为底电极扮演突触后膜的角色，均匀的经聚多巴胺成膜修饰后的黑磷纳米片薄膜作为活性层充当突触间隙，铝(Al)电极既充当顶电极又扮演突触前膜的角色。
Description
技术领域
本发明属于忆阻器领域，具体涉及到一种基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器及其制备方法和应用，所制备的Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET器件以PET基底上的导电ITO薄膜扮演底电极，均匀的经聚多巴胺成膜修饰后的黑磷纳米片薄膜作为活性层，铝(Al)电极充当顶电极。该器件很好的模拟了神经突触的忆阻器行为。
背景技术
忆阻器概念是在1971年由华裔科学家蔡少棠在其撰写的名为“寻找丢失的电路元件”论文中首次提出[。他指出，自然界应该还存在一种新的电路元件，能够表明电荷与磁通量之间的关系。通过测定忆阻的阻值，即可知道流经器件的电荷量，从而拥有记忆电荷的作用。2008年，由惠普公司的工程师研制成功的第一个纳米级忆阻器证明了该电路元件的存在，并将忆阻器的研究工作推向了高潮。2011年，蔡少棠再次撰文扩展了忆阻器的概念，文中指出电流-电压特性曲线在第一、第三象限表现出循环磁滞回线特性的电路元件都被视为忆阻器，扩大了忆阻器的应用研究范围[。随着忆阻器研究的深入进行，科研人员发现忆阻器元件能够很好的模拟人体大脑神经元中突触的记忆行为，实现神经突触的非线性传输特性(nonlineartransmission)、短时间塑性(short-termplasticity)、长时间塑性(long-termplasticity)、脉冲频率依赖可塑性(spike-rate-dependentplasticity)和脉冲时间依赖可塑性(spike-timing-dependentplasticity)等记忆行为的模拟。
这里，通过聚多巴胺表面成膜修饰黑磷纳米片制备出了Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET器件。该器件的I-V特性曲线表现出典型的忆阻器特性，并成功模拟了神经突触的非线性电流传输特性，突触的增强与抑制作用，突触的脉冲时间依赖可塑性以及前后突触兴奋电流作用。这为基于黑磷材料在忆阻器领域的应用提供了参考。
发明内容
人大脑中的神经突触主要是由以下三部分组成：突触前膜、突触间隙和突触后膜。生物体内的电刺激信号会首先传递到突触前膜，然后由前突触释放出响应的神经递质，通过突触间隙的传递而作用于突触后膜，最终实现信息的传递，而基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的器件(Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET)成功的模拟了神经突触的忆阻器行为。相对于Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET器件，柔性PET基底上的导电ITO薄膜扮演突底电极，均匀的经聚多巴胺成膜修饰后的黑磷纳米片薄膜作为活性层，铝(Al)电极充当顶电极。
本发明第一个目的在于提出了一种基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片后制备的仿生忆阻器(Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET)。
本发明再一个目的在于提出了一种基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片后制备仿生忆阻器(Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET)的方法。
本发明第三个目的在于提供了上述器件(Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET)成功模拟神经突触的忆阻器性能或应用。
本发明的技术方案：
一种基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器，仿生忆阻器的结构组成自下到上为：
(1)氧化铟锡/聚对苯二甲酸乙二醇酯(ITO/PET)(底电极)；
(2)聚多巴胺成膜修饰后的黑磷薄膜(PDA-BP)(活性层)；优选厚度100nm-300nm；
(3)铝(Al)(顶电极)，优选厚度100nm-200nm。
基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片所制备的器件(Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET)成功模拟了神经突触的忆阻器行为。就器件本身而言，柔性PET基底上的导电ITO薄膜作为底电极扮演突触后膜的角色，均匀的经聚多巴胺成膜修饰后的黑磷纳米片薄膜作为活性层充当突触间隙，铝(Al)电极既充当顶电极又扮演突触前膜的角色。
本发明还提供一种基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器件的制备方法，包括如下步骤：
1)利用液相剥离技术制备出黑磷纳米片，将黑磷纳米片分散液滴加在滤膜上，减压抽滤使其在滤膜上形成一层黑磷纳米片薄膜；
2)将滤膜倒扣在ITO/PET基底表面，通过压片机向滤膜施加10-15MPa的压力，持续15-30min，随后将ITO/PET基底撕开，在ITO/PET基底上形成一层均匀致密的黑磷纳米片薄膜，并在真空烘箱中烘干；
3)将载有黑磷纳米片薄膜的ITO/PET基底浸泡在Tris-HCl缓冲液中，在摇床以400-600rpm的速度进行搅拌过程中，将100mL溶有盐酸多巴胺(2mg/mL)的Tris-HCl溶液滴加至烧杯中，大气环境下反应12h，反应完成后用乙醇和去离子水彻底冲洗基底，并在真空烘箱中烘干；
4)将顶电极Al蒸镀到PDA-BP薄膜(活性层)表面，制备成Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET三明治结构器件。
本发明提供一种上述基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器件的制备方法，包括如下具体的步骤：
1)利用液相剥离技术制备出黑磷纳米片，将黑磷纳米片分散液滴加在滤膜(优选200nm)上，减压抽滤使其在滤膜上形成一层黑磷纳米片薄膜。
所述利用液相剥离技术制备出黑磷纳米片，包括如下步骤：在手套箱中称取100mg黑磷晶体，在玛瑙研钵中充分研磨；将所得的黑磷粉末分散于100mLNMP溶剂并用氩气鼓泡30min，随后转移至样品瓶中；将上述样品瓶置于300W的水浴超声机中不间断超声6h，过程中频繁更换冰袋将水浴温度控制在5℃以下；所得的分散体系在2000rpm转速下离心120min，收集上层棕黄色分散液；将该分散液在8000-10000rpm下离心120min收集下层黑磷纳米片沉淀。取预先制备的黑磷纳米片10mg超声分散到100mLNMP中，将该黑磷纳米片分散液(100mL0.1mg/mL)滴加在滤膜(200nm)上，减压抽滤使其在滤膜上形成一层黑磷纳米片薄膜。
2)将滤膜倒扣在ITO/PET基底表面，通过压片机向滤膜施加10MPa的压力，持续15min，随后将ITO/PET基底撕开，使其在ITO/PET基底上形成一层均匀致密的黑磷纳米片薄膜，并在真空烘箱中烘干。
所述ITO/PET基底表面优选具有一定粘度。
上述将ITO/PET基底撕开，优选通过固相转移法在ITO/PET基底上形成一层均匀致密的黑磷纳米片薄膜，并在真空烘箱中烘干。
3)将载有黑磷纳米片薄膜的ITO/PET基底浸泡在100mLTris-HCl缓冲液(优选PH＝8.510mM)中，在摇床以400rpm的速度进行搅拌过程中，将60mL溶有100mg盐酸多巴胺的Tris-HCl溶液(优选PH＝8.510mM)滴加至烧杯中(30min内滴完)，大气环境下反应12h，反应完成后用乙醇和去离子水冲洗基底，并在真空烘箱中烘干。
4)将顶电极Al蒸镀到PDA-BP薄膜(活性层)表面，制备成Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET三明治结构器件。
具体制备过程如下：图3示意图示。
本发明还提供了上述器件(Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET)成功模拟神经突触的忆阻器性能或应用。
向Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET忆阻器件施加循环的扫描电压，正向电压扫描从0V→1.5V→0V，负向电压扫描从0V→-1.5V→0V，扫描电压的步长为0.02V。从图4a)中可以看出，器件的电流-电压特性曲线表现出典型的非线性传输特性，这与神经突触之间的非线性传输特性是一致的。当施加正向循环电压的时候，通过器件的电流非线性的往复减小；而当施加负向循环电压的时候，通过器件的电流则非线性的往复增大。图4b)是Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET忆阻器件的电流-电压随时间的变化关系。可以看出，随着施加电压时间的推移，通过器件的电流先是逐渐的增大，然后逐渐的减小，这一结果与器件的电流-电压特性曲线所反映的结果是一致的。这表明我们制备的Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET忆阻器能很好的模拟神经突触之间的电流非线性传输特性。
本发明具备如下优点：
1.本发明提到的一种基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器，这为基于黑磷材料在忆阻器领域的应用提供了参考。
2.本发明所制备的Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET器件成功模拟了神经突触的忆阻器性能。通过调节施加在器件上的电压和脉冲，成功实现了神经突触的非线性传输特性，突触的抑制和增强作用和神经突触的脉冲时间依赖可塑性的模拟，表明了该功能平台在仿生突触模拟领域的较大应用前景。
附图说明
图1为器件电流对施加系列正负脉冲刺激的响应来模拟突触的增强和抑制特性(脉冲频率为1V/10ms,脉冲读取电压＝0.2V)。
图2为(a)模拟突触脉冲时间依赖可塑性所施加的脉冲频率；(b)Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET忆阻器的脉冲速率依赖可塑性三维示意图；(c)器件的塑性随脉冲频率变化关系；(d)脉冲频率与塑性关系曲线图。
图3为基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器的制备的示意图。
图4:(a)为基于聚多巴胺表面修饰黑磷忆阻器的电流-电压特性曲线。
(b)为忆阻器器件的电流电压随时间的变化关系。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的实施例，以使本发明所制备出器件的忆阻器性能更加直观、易懂。
实施例1：
基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器件的制备，包括如下步骤：
1)利用液相剥离技术制备出黑磷纳米片，将黑磷纳米片分散液滴加在滤膜(200nm)上，减压抽滤使其在滤膜上形成一层黑磷纳米片薄膜。
2)将滤膜倒扣在具备一定粘度的ITO/PET基底表面，通过压片机向滤膜施加10MPa的压力，持续15min，随后将ITO/PET基底撕开，通过固相转移法在ITO/PET基底上形成一层均匀致密的黑磷纳米片薄膜，并在真空烘箱中烘干。
3)将载有黑磷纳米片薄膜的ITO/PET基底浸泡在100mLTris-HCl缓冲液(PH＝8.5)中，在摇床以400rpm的速度进行搅拌过程中，将60mL溶有100mg盐酸多巴胺的Tris-HCl溶液滴加至烧杯中(30min内滴完)，大气环境下反应12h，反应完成后用乙醇和去离子水彻底冲洗基底，并在真空烘箱中烘干。
4)将顶电极Al蒸镀到PDA-BP薄膜(活性层)表面，制备成Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET三明治结构器件。
实施例2：器件电流对施加系列正负脉冲刺激的响应来模拟突触的增强和抑制特性(脉冲频率为1V/10ms,脉冲读取电压＝0.2V)。
通过向器件施加连续的正负脉冲来模拟突触的抑制和增强作用。突触的抑制和增强被誉为人体大脑神经学的基础。如图1所示，所施加的脉冲频率为1V/10ms，脉冲读取电压为0.2V。在向Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET器件施加正向脉冲电压的时候，器件的电流先是逐渐上升最后趋于饱和不变；随后向Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET器件施加负向脉冲电压的时候，器件的电流逐渐下降，最后回到了最初的电导水平。这两个过程与人体大脑神经突触的抑制和增强作用相吻合。
实施例3：(a)模拟突触脉冲时间依赖可塑性所施加的脉冲频率；(b)Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET忆阻器的脉冲速率依赖可塑性三维示意图；(c)器件的塑性随脉冲频率变化关系；(d)脉冲频率与塑性关系曲线图。
脉冲时间依赖可塑性(spike-rate-dependentplasticity，SRDP)也是神经突触信息传递过程中的一个重要的性质。在我们所制备的Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET柔性忆阻器件中，也成功实现了对神经突触脉冲时间依赖可塑性的模拟。在神经元中，脉冲时间依赖可塑性具体是指当频率不同的脉冲经过神经突触时，突触所对应的响应程度不尽相同。当所经过脉冲的频率较小时，突触塑性增加相对是较少的；而当经过的脉冲频率较大时，突触塑性的增加相对较多。利用半导体测试仪，分别向Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET柔性忆阻器件施加四个不同频率大小的脉冲，分别为2Hz,5Hz,10Hz和20Hz,脉冲时间都固定为10ms。结合图2中(a、b、c、d)可以看出，多次施加脉冲电压刺激之后，20Hz频率脉冲电压所对应的忆阻器件电流增大程度最大，2Hz频率脉冲电压所对应的忆阻器件电流增大程度最小。该测试结果对应神经突触的脉冲时间依赖可塑性，施加脉冲频率越大，突触塑性变化越大；施加脉冲频率越小，突触塑性变化越小。
Claims (10)
1.一种基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器，其特征在于：仿生忆阻器的结构组成自下到上为：
(1)底电极：氧化铟锡/聚对苯二甲酸乙二醇酯(ITO/PET)；
(2)活性层：聚多巴胺成膜修饰后的黑磷纳米片薄膜(PDA-BP)；
(3)顶电极：铝(Al)。
2.根据权利要求1所述基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器，其特征在于：所述聚多巴胺成膜修饰后的黑磷薄膜的厚度100nm-300nm。
3.根据权利要求1所述基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器，其特征在于：所述顶电极：铝的厚度100nm-200nm。
4.如权利要求1所述的一种基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用液相剥离技术制备出黑磷纳米片，将黑磷纳米片分散液滴加在滤膜上，减压抽滤使其在滤膜上形成一层黑磷纳米片薄膜；
2)将滤膜倒扣在ITO/PET基底表面，通过压片机向滤膜施加10-15MPa的压力，持续15-30min，随后将ITO/PET基底撕开，在ITO/PET基底上形成一层均匀致密的黑磷纳米片薄膜，并在真空烘箱中烘干；
3)将载有黑磷纳米片薄膜的ITO/PET基底浸泡在100mLTris-HCl缓冲液的烧杯中，在摇床以400-600rpm的速度进行搅拌过程中，将100mL溶有盐酸多巴胺(2mg/mL)的Tris-HCl溶液滴加至烧杯中，大气环境下反应12-24h，反应完成后用乙醇和去离子水彻底冲洗基底，并在真空烘箱中烘干；
4)将顶电极Al蒸镀到PDA-BP薄膜(活性层)表面，制备成Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET三明治结构器件。
5.如权利要求4所述的基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器件的制备方法，其特征在于，所述滤膜的孔径200nm。
6.如权利要求4所述的基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器件的制备方法，其特征在于，所述Tris-HCl缓冲液均为PH＝8.5，10mM。
7.一种权利要求1所述的基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器在仿生突触模拟领域上的应用。
8.一种权利要求1所述的基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器的应用，其特征在于，该器件的电流-电压特性曲线表现出了典型的忆阻器特性，成功模拟了神经突触的非线性电流传输特性，当施加正向循环电压的时候，通过器件的电流非线性的往复减小；而当施加负向循环电压的时候，通过器件的电流则非线性的往复增大。
9.一种权利要求1所述的基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器的应用，其特征在于，该器件的成功模拟了突触的增强和抑制特性，在向Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET器件施加正向脉冲电压的时候，器件的电流先是逐渐上升最后趋于饱和不变；向Al/PDA-BP薄膜/ITO/PET器件施加负向脉冲电压的时候，器件的电流逐渐下降，最后回到了最初的电导水平。
10.一种权利要求1所述的基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器的应用，其特征在于，电流-电压特性曲线表现出了典型的忆阻器特性突触的抑制和增强作用和神经突触的脉冲时间依赖可塑性的模拟，这表明了基于聚多巴胺修饰黑磷纳米片的仿生忆阻器在仿生突触模拟领域具有较大应用前景。
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