CN113363386B - 一种基于p3ht纳米线的三端三维人造突触电子器件的制备方法 - Google Patents

一种基于p3ht纳米线的三端三维人造突触电子器件的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种基于P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件的制备方法。该方法包括如下步骤：将碳纳米管水分散液喷涂到贴有掩模版的氧化硅片上，得到碳纳米管层材质的电极；将掩模版取下，再向氧化硅片上涂覆离子液体溶液，干燥后揭下离子胶，得到上面分布有电极形状的碳纳米管层的离子胶衬底；在分布有电极形状的碳纳米管层的离子胶衬底表面上，通过静电纺丝方式得到的P3HT纳米线；再将第二离子胶层贴在上一步中得到材料上，获得三端三维突触电子器件。本发明得到的电子器件可以在正反等多个方向对刺激进行感应，实现了真正意义上对生物突触的模拟，对大规模集成和阵列的应用意义重大。

Description

一种基于P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件的制备 方法
技术领域
本发明属于电子器件领域，特别是基于P3HT纳米线的三端三维突触电子器件。
背景技术
随着信息技术的发展，人类已经进入了大数据时代，每天都有大量的数据被存储、计算和传输；然而，由于传统计算机是基于冯﹒诺伊曼架构，其内存和CPU是分离的，这严重限制计算算力、效率的提高和功耗的降低，导致计算机很难与人脑的功能相媲美。人脑能够在短时间内实现复杂的信息处理、学习和记忆，同时具有极低的功耗，仅相当于一个灯泡大小。因此在硬件角度实现对大脑结构和功能的模拟，使电子设备具有高算力、高效率和低功耗的特点，将会是打破冯﹒诺伊曼瓶颈，实现超级计算的重要方向。
人脑高效率、低功耗的特点得益于突触这种特殊的结构，它由突触前膜(Presynaptic membrane)、突触间隙(Synaptic cleft)、突触后膜(Postsynapticmembrane)三部分组成，具体可参加附图1。人脑是由近百万个神经突触把前神经元和后神经元连接而成的，连接的强度被定义为突触的权重；突触的权重可以随着刺激变化而变化，突触的这种性质被称为突触可塑性(Plasticity)。根据保留时间的长短，突触可塑性主要分为长程可塑性(Long-term plasticity,LTP)和短程可塑性(short-term plasticity,STP)。一般长程可塑性表示持续时间长达几个小时或者更长突触权重的变化，从而使大脑能够存储大量的信息；短程可塑性发生在几毫秒到几分钟之间，是大脑进行信息计算和处理的生物基础。随着神经形态电子学的发展，已经对大量的两端、三端人造突触电子器件进行了报道，但是对三维突触电子器件的制备鲜有报道，而三端三维突触电子器件是在结构和功能上与生物突触最为接近的，因此设计、制造相应的三端三维突触电子器件，并在此基础上实现初步的集成化设计仍是现如今神经形态电子学的发展难点。现有的三维人造突触多是基于垂直堆叠的纵横电极(vertically stacking crossbar electrodes)结构、具有交叉开关结构的多层堆叠体系的，但上述方法制备的突触器件为两端器件，不利于突触器件的大规模阵列和集成，同时在工作时极易出现电流泄露等现象。
发明内容
本发明目的是针对当前技术中存在的不足，提供一种基于P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件的制备方法。该方法采用离子胶为衬底、P3HT纳米线打印制备突触器件的组合方式，并通过离子胶对喷涂的碳纳米管电极进行转移。本发明得到的电子器件可以在正反等多个方向对刺激进行感应，实现了真正意义上对生物突触的模拟，对大规模集成和阵列的应用意义重大。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件的制备方法，包括如下步骤：
1)将碳纳米管水分散液喷涂到贴有掩模版的氧化硅片上，80～100℃下加热3～7min，得到电极形状的碳纳米管层；
其中，碳纳米管水分散液中碳纳米管的质量百分比为3.5～7.5％；所述的电极优选为源电极和漏电极；碳纳米管层的厚度为20μm—200μm；
2)将步骤1)中的掩模版从氧化硅片上取下，再向氧化硅片上涂覆离子液体溶液，60～85℃下真空干燥2～5h，冷凝后形成第一离子胶层，将其揭下，翻转，得到上面分布有电极形状的碳纳米管层的离子胶衬底；
所述的离子液体溶液由PVDF-HFP、EMIM、丙酮混合、搅拌至澄清状态配置而成，质量比为PVDF-HFP：EMIM：丙酮＝1:3～5:6～9；其中，第一离子胶层的厚度为100μm～1cm；
3)通过静电纺丝方式，将P3HT前驱体溶液注射到上一步得到的离子胶衬底表面，得到的互相平行、均匀间隔分布的P3HT纳米线，并且P3HT纳米线横跨在电极之上，使之连接；
其中，P3HT前驱体溶液中，溶质为PEO和P3HT，质量比为PEO和P3HT＝3:5～8；溶剂为三氯乙烯和氯苯组成的混合溶剂；质量比为三氯乙烯：氯苯＝3:5.5～8；P3HT的质量分数范围为4％—5.5％；
所述的静电纺丝的参数为：静电纺丝的电压设置为3.2～3.7kV，进料速度设置为50～150nL/min，喷嘴到离子胶衬底的间距为3～5mm；
所述的纳米线的之间的间距为100μm～350μm；
4)将第二离子胶层贴在上一步中得到材料上，获得三端三维突触电子器件；
所述的第二离子胶层的材质同第一离子胶层，厚度范围50μm～1cm；
所述的第二离子胶的覆盖范围为电极之间一根P3HT纳米线～全部P3HT纳米线纳米线形成的沟道区域。
本发明的实质性特点为：
本发明通过采用离子胶转印碳纳米管电极得到含有碳纳米管电极的离子胶衬底，进而再采用静电纺丝制备P3HT纳米线以形成沟道制得电子器件。
制备的基于P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件以高度平行的P3HT纳米线为半导体层，以含有碳纳米管源漏电极的离子胶为绝缘层和支撑层。在非高温条件下，通过在离子胶上打印P3HT纳米线、喷涂碳纳米管以形成源漏电极的方式，构造出类似场效应管的突触电子器件。本发明的创新之处在于特殊的三维结构设计以及材料的选择，通过合理控制沟道宽长比、碳纳米管电极喷涂条件、P3HT纳米线打印参数等制备出在三维空间内可刺激、高灵敏的三端三维人造突触，从而模仿生物突触在三维空间内的可塑性，对于突触电子器件的集成、神经形态工程学以及类人机器人的发展具有重要意义。
本发明的有益效果为：
1、本发明以离子胶为衬底进行制备，不需要额外的衬底进行支撑，降低了制造成本，简化了工艺流程；(结合结构图3可以看到该器件没有衬底)
2、由于P3HT纳米线、碳纳米管和离子胶的固有柔性属性，所制备的器件具有柔韧性和可拉伸性，更好的满足了未来电子设备柔性化可拉伸的需求；
3、由于特殊的结构设计，本发明可以在正反等多个方向对刺激进行感应(现有的器件只能在单一方向感应刺激)，实现了真正意义上对生物突触的模拟，这种三维空间的感应特性对大规模集成和阵列是至关重要的。(结合图5、6可以发现器件对正反刺激均有反应)
附图说明
图1为生物突触结构示意图。
图2为P3HT纳米线沟道局部结构图。
图3为基于P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件结构示意图。
图4为掩模版中镂空电极尺寸示意图。
图5为实施例1中得到的基于P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件衬底和离子胶刺激时的转移特性曲线示意图。其中，脉冲扫描范围为1～-4.5V，读取电压为0.2V。
图6为实施例1中得到的基于P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件尖峰数量依赖可塑性示意图；
其中，图6a为基于本发明P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件，衬底刺激时的突触尖峰数量依赖可塑性(SNDP)，图6b为基于本发明P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件，离子胶刺激时的突触尖峰数量依赖可塑性(SNDP)，其中脉冲幅值均为-3.5V，读取电压均为0.5V，脉冲数量均为100。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行阐述，但并不因此将本发明限制在实例范围之内。
本发明所述的P3HT纳米线的材质具体为聚3-己基噻吩，为公知物质。
所述的离子液体溶液中的PVDF-HFP为聚偏氟乙烯-六氟丙烯、EMIM为1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺为公知材料。
所述的PEO为聚环氧乙烷。
本发明得到的基于P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件，其所用的沟道层为P3HT，衬底和绝缘层均为离子胶，源漏电极为碳纳米管、栅极为探针；
实施例1：
(1)取10ml碳纳米管质量百分含量为10.0％的碳纳米管水分散液与10ml蒸馏水充分混合后，利用碳纳米管喷涂枪均匀喷涂在贴有掩模版的氧化硅片上(掩膜版的镂空形状和尺寸如图4所示)，并在100℃的加热台上加热5min，得到碳纳米管材质的电极，厚度为50μm。
(2)将质量比为1:4:7的PVDF-HFP、EMIM、丙酮混合后置于磁力搅拌器上，在50℃、600r/min的条件下加热搅拌12h至澄清状态，配置成离子液体，整个配置过程在氮气手套箱内进行。
(3)将步骤1)中的掩模版从氧化硅片上揭开(应确保碳纳米管源漏电极不破损、不导通)，取离子液体均匀滴加到氧化硅片上，之后放在真空干燥箱内于80℃下干燥3h；待离子液体完全凝固后，形成离子胶，再将离子胶层从硅片上揭下后待用(应确保碳纳米管源漏电极完整转印到离子胶上)得到的离子胶层的厚度为500μm；
(4)将质量比为3:7的PEO和P3HT溶解于质量比为3:7三氯乙烯：氯苯混合助溶剂中，配置成质量比为5.1％的P3HT溶液，在50℃、450r/min下加热搅拌3h至澄清状态，整个配制过程在氮气手套箱内进行。
(5)将P3HT溶液作为前驱体，含有碳纳米管源漏电极的离子胶为衬底进行静电纺丝，在上一步得到的材料上，制备P3HT纳米线；以制备三端二维突触电子器件，其中纺丝电压为3.5kV、流量为80nL/min、喷嘴到离子胶衬底的间距为4.5mm。
其中，纳米线应该确保在碳纳米管源漏电极上保持连续，线与线之间平行、均匀间隔分布，间距在150μm之间，纳米线的直径为500nm，长度为2cm；
(6)按照步骤(2)中的材质、制备方法制备离子液体，并在同步骤(3)中一样的涂覆和干燥的条件下处理，将得到的离子胶层(厚度为500μm)贴于P3HT纳米线沟道上以制备三维三端突触电子器件，通过Keithley 4200SCS半导体分析仪调节输入的脉冲信号，实现该人造突触在三维空间上可塑性。
实施例2：
(1)取10ml碳管含量为10.0％的碳纳米管水分散液与10ml蒸馏水充分混合后，利用碳纳米管喷涂枪均匀喷涂在贴有掩模版的氧化硅片上(掩膜版的镂空形状和尺寸如图4所示)，并在100℃的加热台上加热5min，得到碳纳米管材质的电极，厚度为50μm。
(2)将质量比为1:4:7的PVDF-HFP、EMIM、丙酮混合后置于磁力搅拌器上，在50℃、600r/min的条件下加热搅拌12h至澄清状态，配置成离子液体，整个配制过程在氮气手套箱内进行。
(3)将步骤1)中的掩模版从氧化硅片上揭开(应确保碳纳米管源漏电极不破损、不导通)，取离子液体均匀滴加到氧化硅片上，之后放在真空干燥箱内于80℃下干燥3h；待离子液体完全凝固后，将离子胶层从硅片上揭下后待用(应确保碳纳米管源漏电极完整转印到离子胶上)得到的离子胶层的厚度为500μm。
(4)将质量比为3:7的PEO和P3HT溶解于质量比为3:7三氯乙烯：氯苯混合助溶剂中，配制成质量比为4.5％的P3HT溶液，在50℃、450r/min下加热搅拌3h至澄清状态，整个配制过程在氮气手套箱内进行。
(5)将P3HT溶液作为前驱体，含有碳纳米管源漏电极的离子胶为衬底进行静电纺丝，在上一步得到的材料上，制备P3HT纳米线；以制备二维三端突触电子器件，其中纺丝电压为3.5kV、流量为60nL/min、喷嘴到离子胶衬底的间距为4.5mm。
其中，纳米线应该确保在碳纳米管源漏电极上保持连续，线与线之间平行、均匀间隔分布，间距在250μm之间，纳米线的直径为300nm，长度为2cm；
(6)按照步骤(2)中的材质、制备方法制备离子液体，并在同步骤(3)中一样的涂覆和干燥的条件下处理，将得到的离子胶层(厚度为500μm)贴于P3HT纳米线沟道上以制备三维三端突触电子器件，通过Keithley 4200SCS半导体分析仪调节输入的脉冲信号，实现该人造突触在三维空间上可塑性。
实施例3：
(1)取10ml碳纳米管质量百分含量为10.0％的碳纳米管水分散液与10ml蒸馏水充分混合后，利用碳纳米管喷涂枪均匀喷涂在贴有掩模版的氧化硅片上(掩膜版的镂空形状和尺寸如图4所示)，并在60℃的加热台上加热3min，得到碳纳米管材质的电极，厚度为30μm。
(2)将质量比为1:4:7的PVDF-HFP、EMIM、丙酮混合后置于磁力搅拌器上，在50℃、600r/min的条件下加热搅拌12h至澄清状态，配置成离子液体，整个配置过程在氮气手套箱内进行。
(3)将步骤1)中的掩模版从氧化硅片上揭开(应确保碳纳米管源漏电极不破损、不导通)，取离子液体均匀滴加到氧化硅片上，之后放在真空干燥箱内于60℃下干燥5h；待离子液体完全凝固后，将离子胶层从硅片上揭下后待用(应确保碳纳米管源漏电极完整转印到离子胶上)，得到的离子胶层的厚度为300μm。
(4)将质量比为3:7的PEO和P3HT溶解于质量比为3:7三氯乙烯：氯苯混合助溶剂中，配置成质量比为5.1％的P3HT溶液，在50℃、450r/min下加热搅拌3h至澄清状态，整个配制过程在氮气手套箱内进行。
(5)将P3HT溶液作为前驱体，含有碳纳米管源漏电极的离子胶为衬底进行静电纺丝，在上一步得到的材料上，制备P3HT纳米线；以制备三端二维突触电子器件，其中纺丝电压为3.5kV、流量为80nL/min、喷嘴到离子胶衬底的间距为4.5mm。
其中，纳米线应该确保在碳纳米管源漏电极上保持连续，线与线之间平行、均匀间隔分布，间距在300μm之间，纳米线的直径为500nm，长度为2cm；
(6)按照步骤(2)中的材质、制备方法制备离子液体，并在同步骤(3)中一样的涂覆和干燥的条件下处理，将得到的离子胶层(厚度为300μm)贴于P3HT纳米线沟道上以制备三维三端突触电子器件，通过Keithley 4200SCS半导体分析仪调节输入的脉冲信号，实现该人造突触在三维空间上可塑性。
具体实验结果：
1、不同的碳纳米管分散液加热温度、离子胶凝固温度对碳纳米管源漏电极结构完整有显著影响；不同的P3HT溶液浓度以及打印参数对P3HT纳米线的性能有显著影响，通过合理的调控上述实验参数，可以获得高性能的P3HT半导体纳米线、结构完整的碳纳米管源漏电极，进而制备出三端三维突触电子器件。
2、实验成功地制备了三端三维突触电子器件，其结构参加附图3。该器件成功地模拟了生物突触在三维空间上的可塑性，能够在离子胶衬底、顶部离子胶上等多个位点响应电压脉冲信号，并实现了尖峰数量依赖可塑性等。
3、附图5给出了本发明P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件在离子胶衬底和顶部离子胶刺激时的转移特性曲线；从图中可以看出三维突触器件对离子胶刺激和衬底刺激均作出了反应，成功地证明了器件在三维空间上的可塑性；
所有电学性质测试均在充满氮气的手套箱中，使用Keithley 4200SCS半导体分析仪进行，其中栅极脉冲扫描范围为1～-4.5V，读取电压为0.2V。
附图6给出了本发明P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件在离子胶衬底和顶部离子胶刺激时的尖峰数量依赖可塑性图，发现突触后电流随着脉冲刺激数量的增加而增加，且增加的幅度逐渐减小。说明无论是离子胶刺激时还是衬底刺激时，半导体P3HT内的空穴数量随着刺激的数量增加而增加，因此电流逐渐增加；但P3HT内空穴增加的幅度随着刺激数量的增加而降低，因此电流逐渐趋于饱和。
所有电学性质测试均在充满氮气的手套箱中，使用Keithley 4200SCS半导体分析仪进行，其中脉冲幅值均为-3.5V，读取电压均为0.5V，脉冲数量均为100。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (5)

1.一种基于P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件的制备方法，其特征为该方法包括如下步骤：
1)将碳纳米管水分散液喷涂到贴有掩模版的氧化硅片上，80～100℃下加热3～7min，得到电极形状的碳纳米管层；
其中，碳纳米管水分散液中碳纳米管的质量百分比为3.5～7.5％；碳纳米管层的厚度为20μm—200μm；
2)将步骤1)中的掩模版从氧化硅片上取下，再向氧化硅片上涂覆离子液体溶液，60～85℃下真空干燥2～5h，冷凝后形成第一离子胶层，将其揭下，翻转，得到上面分布有电极形状的碳纳米管层的离子胶衬底；
所述的离子液体溶液由PVDF-HFP、EMIM、丙酮混合、搅拌至澄清状态配置而成，质量比为PVDF-HFP：EMIM：丙酮＝1:3～5:6～9；其中，第一离子胶层的厚度为100μm～1cm；
3)通过静电纺丝方式，将P3HT前驱体溶液注射到上一步得到的离子胶衬底表面，得到的互相平行、均匀间隔分布的P3HT纳米线，并且P3HT纳米线横跨在电极之上，使之连接；
其中，P3HT前驱体溶液中，溶质为PEO和P3HT，质量比为PEO和P3HT＝3:5～8；溶剂为三氯乙烯和氯苯组成的混合溶剂；质量比为三氯乙烯：氯苯＝3:5.5～8；P3HT的质量分数范围为4％—5.5％；
4)将第二离子胶层贴在上一步中得到材料上，获得三端三维突触电子器件；
所述的第二离子胶层的材质同第一离子胶层，厚度范围50μm—1cm。
2.如权利要求1所述的基于P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件的制备方法，其特征为步骤1)中所述的电极优选为源电极和漏电极。
3.如权利要求1所述的基于P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件的制备方法，其特征为步骤3)所述的静电纺丝的参数为：静电纺丝的电压设置为3.2～3.7kV，进料速度设置为50～150nL/min，喷嘴到离子胶衬底的间距为3～5mm。
4.如权利要求1所述的基于P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件的制备方法，其特征为步骤3)所述的纳米线的之间的间距为100μm—350μm。
5.如权利要求1所述的基于P3HT纳米线的三端三维人造突触电子器件的制备方法，其特征为步骤4)中所述的第二离子胶的覆盖范围为电极之间一根P3HT纳米线～全部P3HT纳米线纳米线的区域。
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