CN111312899A - 具有零能耗的光电神经突触器件及制备方法 - Google Patents

具有零能耗的光电神经突触器件及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有零能耗的光电神经突触器件及制备方法，该神经突触器件结构包括顶电极、空穴传输层、光电响应层、电子传输层及底电极。本发明的神经突触器件利用光生伏特效应，在光刺激后，电流会自动产生，无需外加偏压，因此该器件可以在零能耗的情况下模拟出生物神经突触的一系列功能。本发明的神经突触器件具有工艺简单，无需能耗，易于集成的特点。

Description

具有零能耗的光电神经突触器件及制备方法
技术领域
本发明涉及神经形态类脑计算技术领域，具体涉及一种具有零能耗的光电神经突触器件及制备方法，尤其是基于钙钛矿与半导体纳米颗粒杂化结构的具有零能耗的光电神经突触器件及制备方法。
背景技术
随着物联网、大数据等领域的兴起，人们对低能耗、高性能计算的需求日益增长，然而传统的基于冯·诺依曼架构的计算由于存算分离，导致计算时数据传输速度偏慢和能耗偏高，难以满足人类社会的需求(M.M.Waldrop,Nature 2016,530,145.)。神经形态计算具有与基于冯·诺依曼架构的计算不同的信息处理方式，拥有存算一体化等特点，有望大幅提高计算性能和降低能耗。神经形态计算主要模拟人脑处理信息的方式。在人脑中，神经元通过改变神经突触之间的突触权重来实现学习和记忆等功能(L.F.Abbott,W.G.Regehr,Nature 2004,431,796)。所以为了实现神经形态计算，模拟神经突触的人工神经突触(即神经突触器件)的发展至关重要。
人类接收外界信息大部分是靠视觉，另外近些年来光遗传学迅速发展，所以光电神经突触器件引起了人们越来越大的兴趣(李雅瑶等，中国科学：信息科学，http://engine.scichina.com/doi/10.1360/SSI-2019-0248；F.C.Zhou,et.al,Nat Nanotech2019,14,776.)，通过利用光电转换性能优异的半导体材料以及光诱导相变等方法，人们已经制备了一系列光电神经突触器件，成功实现了生物突触功能的模拟。但是，这些光电神经突触器件的能耗目前都偏高，需要在后续研究中加以解决。
在光电子器件中，由于光生伏特效应，光生电流可以在无外界偏压的情况下产生，这使得研究者想到可否利用具有优异光生伏特效应的钙钛矿材料(A.K.Jena,et.al,Chem.Rev.2019,119,3036)来制备神经突触器件。同时前期研究表明，半导体纳米颗粒表面缺陷俘获及释放载流子的过程能够用于模拟生物突触的行为(H.Tan,et.al,Nano Energy2018,52,422.)，因此，发展基于钙钛矿与半导体纳米颗粒的杂化结构的光电神经突触器件是一条值得探索的技术路线。本发明通过使用钙钛矿与半导体纳米颗粒的杂化结构制备了具有零能耗的光电神经突触器。
本发明的神经突触器件利用了钙钛矿半导体材料优异的光生伏特效应，可以接受光刺激产生电信号，模拟出生物突触的一系列功能。在该结构中，基于光生伏特效应，在接收光刺激后，电流信号自动产生，无需外加偏压，实现了具有零能耗的生物突触功能模拟，从而能应用于未来进行高性能阵列化的神经形态计算的人工神经网络中。
发明内容
本发明的目的在于面向未来的神经形态计算，提供一种基于钙钛矿与半导体纳米颗粒杂化结构的具有零能耗的光电神经突触器件及制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明首先公开了一种具有零能耗的光电神经突触器件，其包括顶电极、空穴传输层、光电响应层、电子传输层、底电极；其中，底电极沉积在玻璃衬底上；从下往上依次是:底电极、电子传输层、光电响应层、空穴传输层和顶电极；所述光电响应层为钙钛矿与半导体纳米颗粒杂化结构的复合薄膜。
所述的底电极是透明导电薄膜材料，比如氧化铟锡(ITO)材料，要求透光性能好，同时导电性要好。
所述电子传输层为n型半导体材料，材料的选取要考虑到与相邻材料的能级的匹配度以及电子的迁移率性能。
所述光电响应层为钙钛矿与半导体纳米颗粒杂化的薄膜，在本发明的神经突触器件里面，其光电响应层即钙钛矿与半导体纳米颗粒杂化的薄膜对器件的性能起着至观重要的作用，因此在选取的时候需要结合需求与材料的性能等各方面综合考虑。
作为本发明的优选方案，所述的光电响应层的制备方法为：
1)采用冷等离子体法制备硅纳米颗粒；
2)将碘化铅(PbI2)、甲基碘化胺(MAI)和硅纳米颗粒放入二甲基甲酰胺(DMF)形成溶液，其中PbI2、MAI和硅纳米颗粒的浓度分别为600-800mg/mL、200-300mg/mL和5-12mg/mL，然后向该溶液加入二甲基亚砜(DMSO)，最后将所得物成薄。
作为本发明的优选方案，所述的旋涂方法具体为：利用旋涂仪先用转速为800-1200rpm的速度进行沉积，旋涂时间为8-12s；然后提高转速到3000-5000rpm，旋涂时间为20-30s，在提高转速后的旋涂过程中滴涂反溶剂二乙醚，然后在373-400K的温度下退火8-12分钟。
所述空穴传输层为P型半导体材料，具体材料的选取要考虑到与相邻材料能级的匹配度以及空穴的迁移率性能等。
作为本发明的优选方案，所述顶电极为金属薄膜电极，顶电极水平方向与底电极保持垂直。
本发明还公开了一种光电神经突触器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在玻璃片上用磁控溅射沉积方法制备透明导电薄膜，然后再通过刻蚀形成n条宽度为a的底电极；
(2)在底电极上生长电子传输层；
(3)在电子传输层上生长一层光电响应层，并退火；
(4)然后在光电响应层上生长空穴传输层；
(5)最后在空穴传输层上热蒸发沉积金属顶电极，电极宽度为a，数目是n条，顶电极水平方向与底电极保持垂直，从而形成n2个阵列化的神经突触器件。
本发明具有以下有益效果：
1.当钙钛矿与半导体纳米颗粒杂化的薄膜(光电响应层)受到外界光刺激时，钙钛矿与半导体纳米颗粒产生光生载流子，即光生电子和空穴，在产生的载流子当中，部分被半导体纳米颗粒与钙钛矿的晶界处的缺陷俘获，然后再慢慢释放出来，在内建电场的作用下，产生的电子空穴移向两边，基于光生伏特效应，自动产生电流，从而模拟出生物突触权重的可塑性。
2.本发明基于半导体杂化薄膜的具有零能耗的光电神经突触器件，利用半导体材料优异的光电转换性能，可以接受光脉冲刺激从而产生电流，实现对视觉信号的接收和处理的模拟。
3.基于半导体杂化薄膜的具有零能耗的光电神经突触器件由于无需外加偏压，能够实现零能耗的生物突触功能模拟，有望应用于未来高智能和高能效计算领域。
附图说明
图1为本发明基于钙钛矿和半导体纳米颗粒杂化薄膜的具有零能耗的光电神经突触器件的示意图。
图2为实施例的具有零能耗的光电神经突触器件对波长为532nm、脉冲宽度为50ms、功率密度为10μW/cm2、的光刺激的光电流响应。
图3为实施例的具有零能耗的光电神经突触器件对连续两个光刺激(波长为532nm、脉冲宽度为50ms、功率密度为10μW/cm2、两个光刺激的间隔时间为20ms)的光电流响应，也即模拟了人脑的双脉冲易化(PPF)。
图4为实施例的具有零能耗的光电神经突触器件对不同光刺激次数下的光电流响应，也即实现了短程可塑性(STP)向长程可塑性(LTP)的转变。光刺激的波长为532nm、脉冲宽度为50ms、功率密度为10μW/cm2、相邻光刺激的间隔时间为20ms。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本实施例基于钙钛矿和半导体硅纳米晶粒杂化结构的具有零能耗的光电神经突触器件包括：顶电极1、空穴传输层2、光电响应层3、电子传输层4、底电极5。其中，底电极沉积在玻璃衬底上；从下往上依次是:底电极5、电子传输层4、光电响应层3、空穴传输层2、顶电极1。
所述底电极5材料为透明导电薄膜，它应能允许光通过同时又能导电，所选取材料为ITO，厚度为180nm。
进一步的，所述光电响应层为钙钛矿与半导体纳米颗粒的杂化结构薄膜，本发明的神经突触器件的性能主要取决于该杂化结构薄膜成分的选取，作为优选，所述钙钛矿材料为MAPbI3，半导体纳米颗粒为硅纳米颗粒，该颗粒的制备方法为冷等离子体法制备。
所述电子传输层4为N型半导体材料，该材料的选取要考虑到它与光电响应层3与底电极5的能级匹配度以及电子迁移率性能等。
所述空穴传输层2为P型半导体材料，该材料的选取要考虑到它与光电响应层3与顶电极1的能级匹配度以及空穴迁移率性能等。
本实施例的基于钙钛矿与半导体纳米颗粒杂化的具有零能耗的光电神经突触器件通过如下步骤制备得到：
(1)在普通玻璃片上磁控溅射沉积ITO薄膜，再用刻蚀的方法刻蚀成n条宽度为a的ITO电极；
(2)清洗后，放入手套箱，在室温下，通过旋涂的方法在ITO电极上面旋涂富勒烯衍生物(PCBM)的氯苯溶液(溶液浓度为20mg/mL)从而形成电子传输层4。旋涂的速度为1000rmp，时间是30s，退火1分钟；
(3)将碘化铅(PbI2)、甲基碘化胺(MAI)和硅纳米颗粒放入二甲基甲酰胺(DMF)形成溶液，其中PbI2、MAI和硅纳米颗粒的浓度分别为730mg/mL、252mg/mL和10mg/mL，然后向该溶液加入二甲基亚砜(DMSO)，DMSO与DMF溶液体积比保持1:9，最后将所得物成薄。
作为本发明的优选方案，所述的旋涂方法具体为：利用旋涂仪先用转速为1000rpm的速度进行沉积，旋涂时间为10s；然后提高转速到4000rpm，旋涂时间为26s，在提高转速后的旋涂过程中在第11s的时候滴涂0.5mL的反溶剂二乙醚，然后在373K的温度下退火10分钟。
(4)把Spiro-OMeTAD溶解在氯苯溶剂里面，浓度为72.3mg/mL，然后在该溶液里面分别添加17.5μL锂盐溶液(520mg/mL，溶剂是乙腈)和28μL的4-叔丁基吡啶，他们与氯苯溶液体积比分别为17.5×10-3:1与28×1-3:1最后通过旋涂办法沉积在光电响应层上面，旋涂速度是3000rmp，旋涂时间是30s。
(5)通过热蒸发的工艺沉积80nm金电极到空穴传输层上面，最终得到基于钙钛矿和硅纳米颗粒杂化结构的具有零能耗的光电神经突触器。
本实例制备的基于钙钛矿和硅纳米颗粒杂化结构的具有零能耗的光电神经突触器，无需外加偏压，当外界有光信号(从紫外到近红外光)刺激后，即可自动产生兴奋性突触后电流，如图2给出了对脉冲宽度为50ms的波长为532nm的激光的光电流响应，该器件灵敏度高，能探测到光功率密度为10μW/cm2的光信号。基于光生伏特效应产生电流，无外加偏压。
单个神经突触活动所消耗的能耗为零，基于此，成功实现了双脉冲异化(PPF，图3)的模拟，与此同时，随着刺激次数增加，实现了长程可朔性(LTP)的模拟，LTP随着刺激增加而增加(图4)，证实了本发明的基于钙钛矿和半导体纳米颗粒的具有零能耗的光电神经突触器能实现零能耗的突触功能模拟。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是本发明并非局限于此，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。显然这些改动和变型均应属于本发明要求的保护范围保护内。此外，尽管本说明书使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何特殊限制。

Claims (9)

1.一种具有零能耗的光电神经突触器件，其特征在于，包括顶电极(1)、空穴传输层(2)、光电响应层(3)、电子传输层(4)、底电极(5)；其中，底电极沉积在玻璃衬底上；从下往上依次是:底电极(5)、电子传输层(4)、光电响应层(3)、空穴传输层(2)和顶电极(1)；所述光电响应层(3)为钙钛矿与半导体纳米颗粒杂化的复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的光电神经突触器件，其特征在于，所述顶电极(1)为金属薄膜电极。
3.根据权利要求1所述的光电神经突触器件，其特征在于，所述空穴传输层(2)为P型半导体薄膜材料，用于传输空穴。
4.根据权利要求1所述的光电神经突触器件，其特征在于，所述光电响应层(3)中，钙钛矿材料为有机无机杂化钙钛矿(MAPbI3)，半导体纳米颗粒为硅纳米颗粒。
5.根据权利要求4所述的光电神经突触器件，其特征在于，所述的光电响应层(3)的制备方法为：将碘化铅(PbI2)、甲基碘化胺(MAI)和硅纳米颗粒放入二甲基甲酰胺(DMF)形成溶液，其中PbI2、MAI和硅纳米颗粒的浓度分别为600-800mg/mL、200-300mg/mL和5-12mg/mL，然后向该溶液加入二甲基亚砜(DMSO)，最后将所得物成薄。
6.根据权利要求5所述的光电神经突触器件，其特征在于，所述的成膜方法具体为：利用旋涂仪，先用转速为800-1200rpm的速度进行沉积，旋涂时间为8-12s；然后提高转速到3000-5000rpm，旋涂时间为20-30s，在提高转速后的旋涂过程中滴涂反溶剂二乙醚，然后在373-400K的温度下退火8-12分钟。
7.根据权利要求1所述的光电神经突触器件，其特征在于，所述电子传输层(4)为N型半导体薄膜材料，用于传输电子。
8.根据权利要求1所述的光电神经突触器件，其特征在于，所述底电极(5)为透明导电薄膜。
9.一种权利要求1所述的光电神经突触器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在玻璃片上用磁控溅射沉积方法制备透明导电薄膜，然后通过刻蚀形成n条宽度为a的底电极(5)；
(2)在底电极(5)上生长电子传输层(4)；
(3)在电子传输层(4)上生长一层光电响应层(3)，并退火；
(4)然后在光电响应层(3)上生长空穴传输层(2)；
(5)最后在空穴传输层(2)上热蒸发沉积金属顶电极(1)，电极宽度为a，数目是n条，顶电极水平方向与底电极保持垂直，从而形成n2个阵列化的神经突触器件。
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