CN111367132A - 光子忆阻器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光子忆阻器及其制造方法，属于光子学技术领域。本发明的光子忆阻器，包括：基板；光双稳层，形成于基板上表面，光双稳层包括第一二维晶体材料单元和第二二维晶体材料单元，所述第一二维晶体材料单元具有第一还原态，所述第二二维晶体材料具有第二还原态，所述第一还原态不同于所述第二还原态。光子忆阻器的光双稳层能以光子为信号载体进行数据传输，相对于以电信号为载体的电子忆阻器而言，提高了数据传输的速度，且功耗低，便于集成应用。
Description
技术领域
本发明涉及光子学技术领域，尤其涉及一种光子忆阻器及其制造方法。
背景技术
由于电子忆阻器电导率的历史响应与神经突触的可塑性相近，因此电子忆阻器大量应用于人工神经突触。最初的电子忆阻器需与CMOS(全称：Complementary Metal OxideSemiconductor，中文：互补金属氧化物半导体)技术结合应用于人工神经突触与人工神经网络中。目前的全电子忆阻器以电子为信号载体可直接应用于人工神经突触与人工神经网络中，无需使用传统的晶体管。然而，随着科学技术的不断发展，用户更加青睐对智能终端使用，因此对于数据计算速度以及存储能力的要求越来越高，现有的全电子忆阻器已无法有效的满足用户对计算速度的要求，且全电子忆阻器需要消耗电能，耗能较高。
发明内容
针对上述问题，现提供一种旨在可提高计算速度且耗能低的光子忆阻器及其制造方法。
本发明提供了一种光子忆阻器，包括：
基板；
光双稳层，形成于所述基板上表面，所述光双稳层包括第一二维晶体材料单元和第二二维晶体材料单元，所述第一二维晶体材料单元具有第一还原态，所述第二二维晶体材料具有第二还原态，所述第一还原态不同于所述第二还原态。
优选的，所述第一还原态为部分还原态，所述第二还原态为完全还原态。
优选的，所述第二二维晶体材料单元形成于两个所述第一二维晶体材料单元之间。
优选的，所述基板采用硅、二氧化硅、硅酸钠或硅酸钙。
优选的，所述基板的厚度在1um至1mm之间。
优选的，所述第一二维晶体材料单元包含二维晶体材料和氧基团。
优选的，所述氧基团包括羟基、环氧基、羧基和羰基中的至少一种。
优选的，所述光双稳层的厚度在3nm至100um之间。
优选的，所述第一二维晶体材料单元和/或第二二维晶体材料单元为纳米晶体材料。
优选的，所述第一二维晶体材料单元和/或第二二维晶体材料单元为半导体纳米晶体材料。
本发明还提供了一种制造光子忆阻器的方法，包括：
在基板上形成氧化二维晶体材料层；
对所述氧化二维晶体材料层进行还原，形成具有第一还原态的第一二维晶体材料单元；
对所述第一二维晶体材料单元的部分区域进行还原，形成具有第二还原态的第二二维晶体材料单元；所述第一还原态不同于所述第二还原态；
所述第一二维晶体材料单元和所述第二二维晶体材料单元构成光双稳层。
优选的，对所述氧化二维晶体材料层进行还原，形成具有第一还原态的第一二维晶体材料单元，包括：
采用激光或紫外线照射所述氧化二维晶体材料层进行部分还原，以形成第一二维晶体材料单元。
优选的，对所述二维晶体材料单元的部分区域进行还原，形成具有第二还原态的第二二维晶体材料单元，包括：
采用激光照射、紫外线照射或掩膜的方式对所述第一二维晶体材料单元的部分区域进行完全还原，以形成所述第二二维晶体材料单元。
优选的，所述第一二维晶体材料单元包含二维晶体材料和氧基团，所述氧基团包括羟基、环氧基、羧基和羰基中的至少一种。
本发明还提供了一种芯片，包括上述的光子忆阻器。
上述技术方案的有益效果：
本技术方案中，光子忆阻器的光双稳层能以光子为信号载体进行数据传输，相对于以电信号为载体的电子忆阻器而言，提高了数据传输的速度，且功耗低，便于集成应用。
附图说明
图1为本发明所述的光子忆阻器的一种实施例的结构示意图；
图2为本发明所述的光子忆阻器的迟滞回线曲线图；
图3为本发明所述的光子忆阻器内部光线的变化示意图；
图4为调节光双稳层的还原程度的入射光强曲线变化示意图；
图5为调节入射光的波长控制光子忆阻器的工作光强的入射光强曲线变化示意图；
图6为本发明所述的制造光子忆阻器的方法的一种实施例的方法流程图；
图7a-图7c为制造光子忆阻器的原理流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1所示，本发明提供了一种光子忆阻器，包括：
基板1；
光双稳层，形成于所述基板1上表面，所述光双稳层包括第一二维晶体材料单元31和第二二维晶体材料单元32，所述第一二维晶体材料单元31具有第一还原态，所述第二二维晶体材料单元32具有第二还原态，所述第一还原态不同于所述第二还原态。其中还原态指某种氧化物被还原的程度，本实施例中，具体指第一二维晶体材料单元31与第二二维晶体材料单元32分别对应的氧化物被还原的程度不同，第一二维晶体材料单元31对应的氧化物被部分还原，即为部分还原态，第二二维晶体材料单元32对应的氧化物被完全还原，即为完全还原态。
如图所示，所述第二二维晶体材料单元32形成于所述两个第一二维晶体材料单元31之间。
作为举例而非限定，光子忆阻器可以是圆柱形、矩形、环形、正方形或其他形态。
作为较为优选的实施例，以光子忆阻器采用矩形为例：光双稳层位于基板1上表面，光双稳层包括两个二维晶体材料单元31和一个第二二维晶体材料单元32，第二二维晶体材料单元32位于两个二维晶体材料单元31之间。
需要说明的是：所述基板1的厚度在1um至1mm之间；所述光双稳层的厚度在3nm至100um之间。
表1
表1为光子忆阻器采用不同材料及结构的4种实施例表单。在实际应用中，基板可采用硅、二氧化硅、硅酸钠或硅酸钙中的任意一种；基板1的厚度可根据需要进行适应性设定。所述第二二维晶体材料单元32采用完全二维晶体材料；完全二维晶体材料指完全还原态的二维晶体材料，所述第一二维晶体材料单元31采用部分二维晶体材料，部分二维晶体材料指部分还原态的二维晶体材料，所述第一二维晶体材料单元31包含石墨烯和氧基团，所述氧基团可包括羟基、环氧基、羧基和羰基中的至少一种。第二二维晶体材料单元和第一二维晶体材料单元的厚度通常相同。
在本实施例中，光子忆阻器的光双稳层能以光子为信号载体进行数据传输，相对于以电信号为载体的电子忆阻器而言，提高了数据传输的速度，且功耗低，便于集成应用。
作为举例而非限定，二维晶体材料可以是氧族半导体材料，包括氧化石墨烯、二硫化钼(MoS2)、二硫化铼(ReS2)或二硒化铼(ReSe2)等。
当二维晶体材料采用氧化石墨烯时，在本实施例中的第二二维晶体材料单元32(完全还原氧化石墨烯)和第一二维晶体材料单元31(部分还原氧化石墨烯)中的氧基团可以实现与不同的有机或者无机分子的结合，有效的扩展光子忆阻器的实际应用场景。第一二维晶体材料单元31是包含多种氧基团的石墨烯，含多种氧基团的石墨烯是产生石墨烯的中间过渡产物，可通过物理方法(例如：激光照射)还原含氧基团，从而实现动态调节其光学性质。完全还原氧化石墨烯可支持非线性折射率、非线性吸收系数与巨大的克尔非线性响应的调节。
由第一二维晶体材料单元31和一个第二二维晶体材料单元32组成的光双稳层形成了微型谐振腔(参考图3)，光双稳层的入射光强和透射率在一定范围可表现出光学双稳态效应的迟滞回线(hysteric loop)响应(参考图2)。所谓的光学双稳态效应即非线性光学系统在一个输入光强度下可以有两个稳定的激发态。光学双稳态效应可以是瞬态的也可以是亚稳态的取决于光学非线性的性质。迟滞回线响应是指入射光强从初始位置增强达到某一值之后入射光强降低至初始位置的过程中，透射率逐渐增大不会随着入射光强的降低而降低。
结合图2和图3所示，其中，图2中a表示光子忆阻器处于光学线性状态的入射光强范围，b表示光子忆阻器处于光学非线性状态的入射光强范围，箭头表示入射光强的变化方向。随着入射光强I0的增强，透射率不断增大，当入射光强I0增强到b的范围后，若入射光强I0逐渐减低，则光子忆阻器由线性状态切换为非线状态，透射率逐渐降低，，透射光强It逐渐降低。
作为举例而非限定，如图4所示，以二维晶体材料采用氧化石墨烯为例，第二二维晶体材料单元32为完全还原氧化石墨烯，在实际应用中可通过调节光双稳层的还原程度，获取光子忆阻器工作时的光强强度，具体过程如下：
当照射第二二维晶体材料单元32的非线性系数n2＝-3cm2/GW，折射率n＝2.05，时，光子忆阻器未产生迟滞回线c3；
当照射第二二维晶体材料单元32的非线性系数n2＝-7cm2/GW，折射率n＝2.1，时，光子忆阻器产生迟滞回线c2；
当照射第二二维晶体材料单元32的非线性系数n2＝-15cm2/GW，折射率n＝2.2，时，光子忆阻器产生迟滞回线c1；
基于上述数据可知：当光子忆阻器的第二二维晶体材料单元32的n2＝-15cm2/GW时，可有效的在更低的入射光强下实现了光子迟滞回线的响应。
在实际应用中，参考图5所示，可通过调节入射光的波长控制光子忆阻器的工作光强，对光子忆阻器性能进行进一步的调节，具体过程如下：
当照射光子忆阻器的入射光的波长λ1＝D时，光子忆阻器工作的入射光强7MW/cm2；
当照射光子忆阻器的入射光的波长λ2＝1.03×D时，光子忆阻器工作的入射光强3MW/cm2；
当照射光子忆阻器的入射光的波长λ3＝1.05×D时，光子忆阻器未产生迟滞回线；
其中，D表示光子忆阻器的长度；
由此可知：当入射光的波长λ1＝D时，光子忆阻器的性能处于最佳的工作状态，耗能最低。
考虑到光子忆阻器的器件及所使用的材料等因素，光子忆阻器的两个主要指标为响应速度和状态切换时的功耗值。光子忆阻器是以光子为信息载体，对光子的响应具有忆阻特性的光子学器件。光子相对于电子具有传输速度更快，没有热损耗等优点，以光子为信号载体的光纤通讯技术可有效的取代以电子为信号载体的铜线通讯技术。相比于传统的电子忆阻器，以光子为信息载体的光子忆阻器具有低能耗与运算速度快的优点，光子忆阻器可应用关于人工突触、人工神经细胞体以及仿生类脑光子学计算中。
本发明还提供了一种制造光子忆阻器的方法，如图6以及图7a-图7c所示，包括下述步骤：
S1.在基板1上形成氧化二维晶体材料层2(参考图7a和图7b)；
其中，所述基板1可采用硅、二氧化硅、硅酸钠或硅酸钙中的一种。所述基板1的厚度在1um至1mm之间。
在本实施例中，湿式前处理制作工艺或干式前处理制作工艺处理基板1上表面以形成氧化二维晶体材料层2；湿式前处理制作工艺可采用含过氧化氢处理剂，干式前处理制作工艺可采用含氧气体。
S2.对所述氧化二维晶体材料层2进行还原形成具有第一还原态的第一二维晶体材料单元31(参考图7b和图7c)；
进一步地，在步骤S2中对所述氧化二维晶体材料层2进行还原，形成具有第一还原态的第一二维晶体材料单元31的步骤，包括：
采用激光或紫外线照射所述氧化二维晶体材料层2进行还原，以形成所述第一二维晶体材料单元31。
在步骤S2中，采用激光照射氧化二维晶体材料层2进行还原形成第一二维晶体材料单元31的具体过程为：
采用功率密度范围在1W/cm2至1×109W/cm2之间的脉冲激光或者连续激光以定点照射的方式对氧化二维晶体材料层2照射，照射时间保持在1微秒至10秒之间，以实现对氧化二维晶体材料层2进行还原生成第一二维晶体材料单元31；还可采用扫描照射的方式对氧化二维晶体材料层2，照射扫描速度保持在1微米每秒至10毫米每秒之间，以实现对氧化二维晶体材料层2进行还原生成第一二维晶体材料单元31。
采用功率密度范围在10W/cm2至10000W/cm2之间的紫外线照射氧化二维晶体材料层2，照射时间保持在10秒至100小时之间，以实现对氧化二维晶体材料层2进行还原生成第一二维晶体材料单元31。
在实际应用中，可通过测量第一二维晶体材料单元31的光学性质(如：吸收系数、折射率)或化学成分(如：拉曼光谱)的方式判定是否完成对氧化二维晶体材料层2的还原。
S3.对所述第一二维晶体材料单元31的部分区域进行还原，形成第二二维晶体材料单元32(参考图7c和图1)；
除所述部分区域的所述二维晶体材料层形成第一二维晶体材料单元31；
所述第一二维晶体材料单元31和所述第二二维晶体材料单元32构成光双稳层。
其中，所述第一二维晶体材料单元31为部分二维晶体材料，所述第一二维晶体材料单元31包含石墨烯和氧基团，所述氧基团包括羟基、环氧基、羧基和羰基中的至少一种。所述第二二维晶体材料单元32为完全二维晶体材料。
进一步地，在步骤S3中对所述第一二维晶体材料单元31的部分区域进行还原，形成具有第二还原态的第二二维晶体材料单元32，包括：
采用激光照射、紫外线照射或掩膜的方式对所述第一二维晶体材料单元31的部分区域进行完全还原，以形成所述第二二维晶体材料单元32。
在步骤S3中，可以采用类似步骤S2的方式对待还原单元进一步还原生成完全二维晶体材料。
在实际应用中，可通过测量第二二维晶体材料单元32的光学性质(如：吸收系数、折射率)或化学成分(如：拉曼光谱、X射线衍射谱)的方式判定是否完成对待还原单元的还原。
所述第一二维晶体材料单元31和所述第二二维晶体材料单元32构成光双稳层(参考图1)。
需要说明的是：所述光双稳层的厚度在3nm至100um之间。
在本实施例中，二维晶体材料可以是氧化石墨烯、二硫化钼(MoS2)、二硫化铼(ReS2)或二硒化铼(ReSe2)等。
在本实施例中，光子忆阻器的光双稳层能以光子为信号载体进行数据传输，相对于以电信号为载体的电子忆阻器而言，提高了数据传输的速度，且功耗低，便于集成应用。
表2实施例1-N的制备方法
表2为光子忆阻器的制备方法的4种实施例表单，在实际应用中，可采用连续激光、脉冲激光或紫外线的方式对氧化二维晶体材料层进行还原制造光子忆阻器，采用680nm-1100nm脉冲激光方式制备的光子忆阻器性能最优。
本发明还提供了一种芯片，包括上述的光子忆阻器。所述芯片可以由多个光子忆阻器组成，该芯片可应用于类脑功能器件中。光子忆阻器还可用于构成神经网络架构。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (15)
1.一种光子忆阻器，其特征在于，包括：
基板；
光双稳层，形成于所述基板上表面，所述光双稳层包括第一二维晶体材料单元和第二二维晶体材料单元，所述第一二维晶体材料单元具有第一还原态，所述第二二维晶体材料具有第二还原态，所述第一还原态不同于所述第二还原态。
2.根据权利要求1所述的光子忆阻器，其特征在于，所述第一还原态为部分还原态，所述第二还原态为完全还原态。
3.根据权利要求2所述的光子忆阻器，其特征在于，所述第二二维晶体材料单元形成于两个所述第一二维晶体材料单元之间。
4.根据权利要求1-3任一项所述的光子忆阻器，其特征在于，所述基板采用硅、二氧化硅、硅酸钠或硅酸钙。
5.根据权利要求1-3任一项所述的光子忆阻器，其特征在于，所述基板的厚度在1um至1mm之间。
6.根据权利要求1-3任一项所述的光子忆阻器，其特征在于，所述第一二维晶体材料单元包含二维晶体材料和氧基团。
7.根据权利要求6所述的光子忆阻器，其特征在于，所述氧基团包括羟基、环氧基、羧基和羰基中的至少一种。
8.根据权利要求1-3任一项所述的光子忆阻器，其特征在于，所述光双稳层的厚度在3nm至100um之间。
9.根据权利要求1所述的光子忆阻器，其特征在于，所述第一二维晶体材料单元和/或第二二维晶体材料单元为纳米晶体材料。
10.根据权利要求9所述的光子忆阻器，其特征在于，所述第一二维晶体材料单元和/或第二二维晶体材料单元为半导体纳米晶体材料。
11.一种制造光子忆阻器的方法，其特征在于，包括：
在基板上形成氧化二维晶体材料层；
对所述氧化二维晶体材料层进行还原，形成具有第一还原态的第一二维晶体材料单元；
对所述第一二维晶体材料单元的部分区域进行还原，形成具有第二还原态的第二二维晶体材料单元；所述第一还原态不同于所述第二还原态；
所述第一二维晶体材料单元和所述第二二维晶体材料单元构成光双稳层。
12.根据权利要求11所述的制造光子忆阻器的方法，其特征在于，对所述氧化二维晶体材料层进行还原，形成具有第一还原态的第一二维晶体材料单元，包括：
采用激光或紫外线照射所述氧化二维晶体材料层进行部分还原，以形成第一二维晶体材料单元。
13.根据权利要求11所述的制造光子忆阻器的方法，其特征在于，对所述二维晶体材料单元的部分区域进行还原，形成具有第二还原态的第二二维晶体材料单元，包括：
采用激光照射、紫外线照射或掩膜的方式对所述第一二维晶体材料单元的部分区域进行完全还原，以形成所述第二二维晶体材料单元。
14.根据权利要求11所述的制造光子忆阻器的方法，其特征在于，所述第一二维晶体材料单元包含二维晶体材料和氧基团，所述氧基团包括羟基、环氧基、羧基和羰基中的至少一种。
15.一种芯片，其特征在于，包括如权利要求1-10所述的光子忆阻器。
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Address after: Room 309, Floor 3, Building 21, No. 999, Xiangyin Road, Yangpu District, Shanghai, 200082 Applicant after: Zhang Qiming Applicant after: Gu Min Applicant after: Chen Xi Applicant after: Luan Haitao Address before: Building 12, Lane 59, Shunping Road, Yangpu District, Shanghai 200093 Applicant before: Zhang Qiming Applicant before: Gu Min Applicant before: Chen Xi Applicant before: Luan Haitao |