CN111834530B - 一种基于单晶钙钛矿的两端人工突触及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于单晶钙钛矿的两端人工突触及其制备方法。所述的人工突触分为三层，由下至上依次为衬底、半导体活性层和间隔金属层；所述的间隔金属层为左金属电极和右金属电极；左、右电极距离为100‑150微米；其中，所述的半导体活性层的材质为单晶钙钛矿；所述的左金属电极和右金属电极的材质均为金。本发明得到的横向传输电流的单晶钙钛矿人工突触具有超长且可控的电流传输距离(100‑150微米)，皮安级别的操作电流，且能耗在数值上突破了飞焦级别(～10飞焦)。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体涉及到两端人工突触电子器件。
背景技术
随着大数据，物联网，5G等数字通信的快速发展，人们已经进入了智能信息时代。人工智能的兴起如同浪潮一般向人类席卷过来，对整个世界的发展形式和人类的生活方式产生了重要的影响，现阶段的人工智能主要包括数据智能和类脑智能。数据智能作为人工智能的主流方向，存在着一定的局限性：基于传统冯诺依曼架构的计算机由于存储和计算模块的分离，数据的传输和处理速度受到严重影响；与此同时，在人脑高度致密且复杂的神经网络中，信息的处理和存储可以同时实现。人脑的高效性、自主性和超低能耗等特点为类脑研究提供了参考，也为人工智能提供了另一个重要捷径。
人脑主要是由上千亿个神经元组成，而每个神经元之间又由数千个神经突触相连接。信息的处理和存储可以在神经元和神经突触之间同步实现，如此致密复杂的神经网络让人脑能够迅速高效地处理海量外界信息。人脑最基本的认知活动是学习和记忆，而实现学习和记忆能力的基础在于神经突触的可塑性。突触可塑性包括短程可塑性和长程可塑性，具体表现形式包括易化(Facilitation)、抑制(Depression)、增强(Potentiation)、适应性(Adaptation)、灵活性(Elasticity)、动态过滤(Dynamic filtering)、长时程增强(Long-term potentiation)和长时程抑制(Long-term depression)。突触的可塑性是大脑记忆、认知、计算、学习等功能的分子基础，在神经信号传递中起着重要的作用。因此，对突触可塑性的模拟是构建类生物突触的关键，也是构建人工大脑的必要条件。
相比较于多端晶体管型人工突触，两端人工突触具有其独特的优势，比如简单的器件结构、低能耗等；适合制备阵列和大规模集成。在两端人工突触中，可通过调控电导的连续性变化实现对突触权重变化的模拟，从而实现各种各样的生物突触行为。传统三明治结构的两端人工突触，从下到上依次为衬底、导电电极层(如氧化铟锡导电层)、半导体活性层、金属电极层等总计四层，电流传输为纵向传输，即电信号经半导体层从上下电极输入输出。由于器件质量和尺寸受薄膜质量和厚度影响的原因，传统三明治结构的两端人工突触在能耗，灵敏度，器件尺寸等存在局限。为解决上述问题，本发明提出了一种基于单晶钙钛矿的两端人工突触及其制备方法，在模拟生物突触行为和能耗，灵敏度等方面均取得突破性进展。
发明内容
本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种基于单晶钙钛矿的两端人工突触及其制备方法。该人工突触首次采用单晶钙钛矿薄片作为半导体层，并提出了一种新型横向器件结构，电信号从左电极输入，经单晶钙钛矿半导体层横向传输并从右电极输出。制备方法中，利用毛细效应制备出大面积单晶钙钛矿薄片；所有操作过程均在空气中进行，克服了当前制备基于多晶钙钛矿材料的人工突触技术需要在氮气手套箱等封闭环境中操作的要求。
本发明的技术方案具体如下:
一种基于单晶钙钛矿的两端人工突触，所述的人工突触分为三层，由下至上依次为衬底、半导体活性层和间隔金属层；所述的间隔金属层为左金属电极和右金属电极；左、右电极间距为100-150微米；
其中，所述的半导体活性层的材质为单晶钙钛矿方形薄片，厚度在0.2-3微米之间；所述的左金属电极和右金属电极的材质均为金，左右电极厚度为80-100纳米；
所述的人工突触的面积为200～500微米*30～300微米；
所述的衬底为石英玻璃、硅片或氧化铟锡导电玻璃；
所述的基于单晶钙钛矿的两端人工突触的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)将衬底依次经去离子水、丙酮和异丙醇中超声清洗，然后用氮气将衬底表面吹干；
(2)将甲基溴化铵(MAPbBr3)粉末溶解在二甲基甲酰胺(DMF)中，在氮气环境下将溶液加热至65～75度并搅拌0.5～1.5个小时，得到浓度为1.1-1.5摩尔每毫升的澄清透明溶液A；
(3)将十二烷基溴(DODB)溶解在γ-丁内酯(GBL)中，得到表面活性剂溶液B；其中，每8-12毫摩尔的十二烷基溴(DODB)加0.9-1.1毫升γ-丁内酯(GBL)；
(4)将溶液A和溶液B，加入GBL溶液中，制成单晶钙钛矿前驱体溶液；其中，每800-1000微升的GBL溶液中加入40-60微升的溶液A和20-40微升的MAPbBr3溶液B；
(5)在空气环境中，将单晶钙钛矿前驱体溶液滴在步骤(1)得到的衬底中心，并在80-150度条件下加热10-20分钟，获得单晶钙钛矿薄膜；其中，每平方厘米衬底上加入滴加20-30微升的单晶钙钛矿前驱体溶液；
(6)将掩模版覆盖在单晶钙钛矿薄片表面，并通过热蒸发技术，在单晶钙钛矿薄膜表面获得80-100纳米厚度和左右间距为100-150微米的金属电极，得到基于单晶钙钛矿两端人工突触；
其中，热蒸发参数为温度控制在40-50度，真空度10-3-10-4帕,沉积速率0.8-1埃/秒，蒸镀时间30-40分钟；左右凹槽的间距为100-150微米；
本发明的实质性特点为：
本发明提供了一种新型横向传输电信号的器件结构：电信号从左电极输入，经单晶钙钛矿半导体层横向传输并从右电极输出。不同于传统三明治结构，本发明提出的横向结构可通过调节掩模版凹槽尺寸对器件尺寸进行调控，不受半导体薄膜厚度限制。
制备方法中，利用毛细效应制备出方形单晶钙钛矿薄片，边长在200微米-500微米，厚度在0.2微米-3微米，为后期人工突触电子器件的制备提供了基础。
所有操作过程均在空气中进行。与传统多晶的制备方法相比较，单晶钙钛矿材料由于结晶质量高，无内部缺陷，具有很好的稳定性，在外界空气中制备可简化制备方法，易于操作。
本发明的有益效果为：
(1)本发明首次将单晶钙钛矿材料应用到人工突触上并取得突破性进展。与传统多晶钙钛矿材料相比，单晶钙钛矿材料内部缺陷少，结晶质量高，进一步提高了器件的性能。
(2)本发明将毛细效应应用到单晶钙钛矿薄片制备过程中，从而获得大面积方形单晶钙钛矿薄片(边长200-500微米，厚度在0.2-3微米之间)，为后期人工突触电子器件的制备提供了基础。
(3)本发明提出了一种全新的横向电流传输器件结构，与传统三明治结构的两端多晶钙钛矿人工突触相比较，这种新型横向传输电流的单晶钙钛矿人工突触具有超长且可控的电流传输距离(100-150微米)，皮安级别的操作电流，且能耗在数值上突破了飞焦级别(～10飞焦)。
附图说明
图1是基于单晶钙钛矿两端人工突触的结构示意图；
图2是实施例2中得到的基于单晶钙钛矿两端人工突触的单个兴奋性突触后电流(EPSC)的曲线图；
图3是实施2中得到的基于单晶钙钛矿两端人工突触的尖峰电压依赖可塑性(SVDP)的曲线图，其中，图3a为连续增长的尖峰电压刺激(-10毫伏到-1伏)的电压幅值图(缺少宾语)；图3b为连续增长的尖峰电压刺激下的兴奋性突触后电流的曲线图；
图4是实施例2中得到的基于单晶钙钛矿两端人工突触的尖峰频率依赖可塑性(SRDP)的曲线图，其中，图4a为具有不同频率的尖峰电压刺激(0.143赫兹到0.625赫兹)的电压幅值图；图4b为不同频率的尖峰电压刺激下的兴奋性突触后电流的曲线图；
具体实施方式：
下面将结合具体实例对本发明进行具体阐述说明，以下实例有助于相关人员对本发明的研究和思考，但不会对本发明起任何限制作用。
实施例1：
一种基于单晶钙钛矿的两端人工突触电子器件制备方法如下：
(1)将1厘米*1厘米大小的石英玻璃衬底分别放置于去离子水、丙酮和异丙醇中超声清洗各15分钟，然后用氮气将衬底表面吹干。
(2)取1.3摩尔的甲基溴化铵(MAPbBr3)粉末溶解在1毫升二甲基甲酰胺(DMF)中，在氮气环境下将溶液加热至70度并搅拌1个小时，获得1.3摩尔每毫升的澄清透明溶液。
(3)取10毫摩尔的十二烷基溴(DODB)溶解在1毫升γ-丁内酯(GBL)中，作为表面活性剂。
(4)分别取50微升步骤(3)得到的十二烷基溴(DODB)和γ-丁内酯(GBL)混合溶液和30微升步骤(2)得到的甲基溴化铵(MAPbBr3)溶液，并将其加入920微升的γ-丁内酯(GBL)中制成单晶钙钛矿前驱体。
(5)在外界环境中，取30微升步骤(4)的单晶钙钛矿前驱体溶液滴在(1)条件的干净玻璃衬底中心位置，并在100℃条件下加热10分钟可获得1.2微米厚且结晶性好的单晶钙钛矿薄片。
(6)将掩模版(掩模版左右凹槽面积均为1.5毫米*1毫米，掩膜版总面积5*5毫米，两个凹槽的距离100微米)覆盖在单晶钙钛矿薄膜表面，并通过热蒸发技术(腔室温度控制在40-50度，真空度4*10-4-5*10-4帕,沉积速率1埃/秒，蒸镀时间30分钟，沉积厚度80纳米)，在凹槽部分的单晶钙钛矿薄片表面沉积80纳米厚度和左右间距为100微米的金属电极，从而获得完整的基于单晶钙钛矿两端人工突触电子器件。
步骤(6)所获得的材料，经过切割，得到尺寸为300微米*300微米的基于单晶钙钛矿两端人工突触结构(即面积同钙钛矿层的面积)，如图1所示，该人工突触器件由下至上，依次为玻璃衬底、钙钛矿活性层和间隔金属层；所述的间隔金属层为左金电极和右金电极，宽度均为100微米，间距也为100微米。其中半导体层的单晶钙钛矿活性层用来模拟突触间隙，左右电极分别模拟突触前膜和突触后膜。信号依次从左右电极输入和输出，用来模拟生物突触传递过程。
性能测试与实验结果分析：
利用半导体分析仪Keithley 4200A-SCS对(6)中的两端人工突触进行电学性能测试和分析并得到以下重要结果(测试环境在氮气封闭的手套箱内，氮气纯度大于99％，环境温度20-25摄氏度)：通过控制前驱体溶液的浓度，退火的温度和时间可以有效地控制单晶钙钛矿薄膜的晶体质量；通过控制电极之间的距离可以有效地控制器件尺寸，从而对兴奋性突触后电流的大小进行调控；
单晶钙钛矿两端人工突触通过横向传输电信号的方式使其拥有超长且可控的传输距离(100-150微米)，皮安级别的操作电流。图2所示的在-10毫伏小电压刺激下的单个兴奋性突触后电流(EPSC)曲线，反映出器件具有飞焦级别的功耗(～10飞焦/刺激)；图3所示为该器件在一系列连续增长的电压刺激下(-10毫伏到-1伏特)的兴奋性突触后电流曲线，即尖峰电压依赖可塑性(SVDP)曲线。该曲线反映出本发明的人工突触电子器件具有超高的灵敏度(-10毫伏)；图4所示，在不同频率的尖峰电压刺激(0.143赫兹-0.625赫兹)下的尖峰频率依赖可塑性(SRDP)曲线反映出器件对频率变化的脉冲刺激有着快速相应，可用于实现对外界信息的筛选和提取的功能。
实施例2：
(1)将1厘米*1厘米大小的玻璃衬底分别放置于去离子水、丙酮和异丙醇中超声清洗各15分钟，然后用氮气将衬底表面吹干。
(2)取1.3摩尔的甲基溴化铵(MAPbBr3)粉末溶解在1毫升二甲基甲酰胺(DMF)中，在氮气环境下将溶液加热至70度并搅拌1个小时，获得1.3摩尔/毫升的澄清透明溶液。
(3)取10毫摩尔的十二烷基溴(DODB)溶解在1毫升γ-丁内酯(GBL)中，作为表面活性剂。
(4)分别取50微升步骤(3)得到的十二烷基溴(DODB)和γ-丁内酯(GBL)混合溶液和30微升步骤(2)得到的甲基溴化铵(MAPbBr3)溶液，并将其加入920微升的γ-丁内酯(GBL)中制成单晶钙钛矿前驱体。
(5)在外界环境中，取30微升步骤的单晶钙钛矿前驱体溶液滴在(1)条件的干净玻璃衬底中心位置，并在100度条件下加热10分钟可获得结晶性好的单晶钙钛矿薄膜。
(6)将掩模版(掩模版左右凹槽面积均为1.5毫米*1毫米，掩膜版总面积5*5毫米，两个凹槽的距离150微米)覆盖在单晶钙钛矿薄膜表面，并通过热蒸发技术(腔室温度控制在40-50度，真空度4*10-4-5*10-4帕,沉积速率1埃/秒，蒸镀时间40分钟，沉积厚度100纳米)在单晶钙钛矿薄片表面沉积100纳米厚度和左右间距为150微米的金电极，从而获得基于单晶钙钛矿两端人工突触。
上述实施案例和测试结果是为了给相关领域研究人员提供一定的研究基础。其他任何未作出实质性的研究改变，包括修改，简化，替换等一系列简单的实验条件改变，均应受到本发明的保护范围内。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (4)
1.一种基于单晶钙钛矿的两端人工突触，其特征为所述的人工突触分为三层，由下至上依次为衬底、半导体活性层和间隔金属层；所述的间隔金属层为左金属电极和右金属电极；左、右电极距离为100-150微米；
其中，所述的半导体活性层的材质为单晶钙钛矿；所述的左金属电极和右金属电极的材质均为金，厚度为80-100纳米；
所述的基于单晶钙钛矿的两端人工突触的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)将衬底依次经去离子水、丙酮和异丙醇中超声清洗，然后用氮气将衬底表面吹干；
(2)将甲基溴化铵(MAPbBr3)粉末溶解在二甲基甲酰胺(DMF)中，在氮气环境下将溶液加热至65～75度并搅拌0.5～1.5个小时，得到浓度为1.1-1.5摩尔每毫升的澄清透明溶液A；
(3)将十二烷基溴(DODB)溶解在γ-丁内酯(GBL)中，得到表面活性剂溶液B；其中，每8-12毫摩尔的十二烷基溴(DODB)加0.9-1.1毫升γ-丁内酯(GBL)；
(4)将溶液A和溶液B，加入GBL溶液中，制成单晶钙钛矿前驱体溶液；其中，每800-1000微升的GBL溶液中加入40-60微升的溶液A和20-40微升的MAPbBr3溶液B；
(5)在空气环境中，将单晶钙钛矿前驱体溶液滴在步骤(1)得到的衬底中心，并在80-150度条件下加热10-20分钟，获得单晶钙钛矿薄膜；其中，每平方厘米衬底上加入滴加20-30微升的单晶钙钛矿前驱体溶液；
(6)将掩模版覆盖在单晶钙钛矿薄片表面，并通过热蒸发技术，在单晶钙钛矿薄膜表面获得80-100纳米厚度和左右间距为100-150微米的金属电极，得到基于单晶钙钛矿两端人工突触；
其中，热蒸发参数为温度控制在40-50度，真空度10-3-10-4帕,沉积速率0.8-1埃/秒，蒸镀时间30-40分钟；左、右凹槽的间距为100-150微米。
2.如权利要求1所述的基于单晶钙钛矿的两端人工突触，其特征为所述的衬底为石英玻璃、硅片或氧化铟锡导电玻璃。
3.如权利要求1所述的基于单晶钙钛矿的两端人工突触，其特征为所述的半导体活性层为单晶钙钛矿方形薄片，厚度为0.2-3微米。
4.如权利要求1所述的基于单晶钙钛矿的两端人工突触，其特征为所述的人工突触的面积为200～500微米*30～300微米。
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