CN115078489A - 一种嗅觉与视觉集成的仿生感知器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种嗅觉与视觉集成的仿生感知器件及其制备方法。该嗅觉与视觉集成的仿生感知器件包括：柔性衬底；MXene纳米片薄膜，形成在所述柔性衬底上；透明电极，其为叉指状，形成在所述MXene纳米片薄膜上，向MXene纳米片薄膜的表面施加光学信号与气体信号的多模式刺激，获得仿生嗅觉与视觉感知功能，以及对感知得到的信息的处理计算和对计算结果的存储功能，实现在同一器件的感存算功能的集成。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种嗅觉与视觉集成的仿生感知器件及其制备方法。
背景技术
人体具有丰富的感知系统，在接收外界环境信息以及做出相应决策与反应的过程中扮演着重要的角色。为了模拟人体对复杂环境信息的探测与感知能力，包括视觉、味觉、嗅觉、触觉、听觉等在内的电子传感器被赋予极大的期望。利用电子器件的电阻或电流变化程度反映出环境中温度、光照、压力、气体等条件的变化是电子传感器的核心。然而，现存的传感器受限于材料、工艺、器件结构、电路设计等多方面的问题，仅仅能感知某种单一的信息。为了适应多功能应用场景，需要开发同时具有多种信号感知能力的器件。因此，选用合适的材料工艺、设计一种能对光和气体等环境信息进行集成采集的智能器件对于仿生电子的发展至关重要。
二维MXene纳米片材料(Mn+1XnTx)不仅具有优异的表面均匀性以及高质量结晶特性，而且鱼鳞状的纳米片薄膜相比于块材具有更大的比表面积和更高的载流子寿命，可以获得更为灵敏的光电感应与气体感应，非常适合应用于构建同时对光和气体进行感应的仿生电子器件。其中，Mn+1XnTx纳米片中的M代表过渡金属元素(Ti，Al，V，Nb，Mo，Cr，Ta等)，X代表碳或氮，T代表-OH，-F，＝O等表面官能团。通过对不同成分的调节，可以实现Mxene材料功函数的调控，更适合用于完成不同的能带设计，优化器件的响应特性。
现存的感知-计算-存储系统仍然存在一定的问题和瓶颈，特别是信息无法及时传递处理，导致数据延迟的问题时有发生。一方面，传感器作为一种信号即时检测的电子器件，虽然能跟随环境刺激的变化而变化，但是无法对信息进行存储与处理，需要将瞬时信号及时传送至存储单元与计算单元进行下一步的处理，大量能耗会浪费在传输的步骤中。另一方面，忆阻器作为一种新型的存算一体器件，可以同时完成信息的存储与计算，然而大多数忆阻器无法对环境信息进行探测采集，仍然需要通过电路接收来自独立传感器采集的信息。通过将忆阻器赋予感知能力，利用其自身的存储与计算集成优势，同时兼备信息采集的能力，可以极大地提高器件的即时处理能力。
发明内容
本发明公开一种嗅觉与视觉集成的仿生感知器件，包括：柔性衬底；MXene纳米片薄膜，形成在所述柔性衬底上；透明电极，其为叉指状，形成在所述MXene纳米片薄膜上，向MXene纳米片薄膜的表面施加光学信号与气体信号的多模式刺激，获得仿生嗅觉与视觉感知功能，以及对感知得到的信息的处理计算和对计算结果的存储功能，实现在同一器件的感存算功能的集成。
本发明的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件中，优选为，所述MXene纳米片薄膜的厚度为40nm。
本发明的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件中，优选为，所述MXene纳米片薄膜为Ti3C2Tx，Mo2C Tx，Ti2C Tx，Nb2CTx或V2C Tx。
本发明的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件中，优选为，所述光学信号为波长600nm的激光。
本发明的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件中，优选为，所述气体信号为NO2气体。
本发明还公开一种嗅觉与视觉集成的仿生感知器件制备方法，包括以下步骤：采用溶胶凝胶方法在柔性衬底上形成MXene纳米片薄膜；在所述MXene纳米片薄膜上形成叉指状透明电极；向MXene纳米片薄膜的表面施加光学信号与气体信号的多模式刺激，获得仿生嗅觉与视觉感知功能，以及对感知得到的信息的处理计算和对计算结果的存储功能，实现在同一器件的感存算功能的集成。
本发明的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件制备方法中，优选为，所述MXene纳米片薄膜的厚度为40nm。
本发明的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件制备方法中，优选为，所述MXene纳米片薄膜为Ti3C2Tx，Mo2CTx，Ti2C Tx，Nb2CTx或V2C Tx。
本发明的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件制备方法中，优选为，采用溶胶凝胶方法制备Ti3C2Tx纳米片薄膜的步骤具体包括：采用TiH2、Al和C粉末以3:1.2:2的摩尔比进行混合研磨，将混合物放在石墨坩埚中，在惰性气体环境氛围下以1000℃～1600℃的温度退火2小时～5小时；将40m mol～100mmol的LiF溶解在20ml～80ml的HCl溶液中获得LiF和HCl的混合液，在混合液中加入1g～3g的Ti3AlC2，将溶液加热至30℃～60℃并搅拌24小时～72小时用以去除MAX相中的Al；将悬浊液在离心管中加入去离子水进行离心操作，离心转速设置为2500rpm～4500rpm，每次离心时间3分钟～10分钟，在离心5次后溶液的PH值大于或等于6时，取上清液即为所需的Ti3C2Tx纳米片溶液；利用溶液旋涂法在柔性衬底上旋涂Ti3C2Tx纳米片溶液，旋涂转速为3500rpm～4500rpm，旋涂时长30s～60s；随后在充满氮气的手套箱中，利用热板在60℃～150℃的温度下烘烤5分钟～20分钟，获得Ti3C2Tx纳米片薄膜。
本发明的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件制备方法中，优选为，所述光学信号为波长600nm的激光，所述气体信号为NO2气体。
有益效果：
(1)打破传统的感知方案，引入光学信号与气体信号的多模式感知方式，使得单一器件可以同时实现视觉与嗅觉的仿生感知，多方面信息的采集可以使得电子器件更为高效地在复杂环境中判断外界刺激。
(2)采用MXene二维纳米片材料作为器件的功能层，该材料不仅具有高比表面积，能够更为灵敏地捕获气体信号，而且具有可调控的带隙，非常适合进行能带设计，从而获得更为灵敏的光信号响应，为高性能感知器件的研发奠定了基础。
(3)柔性感知器件同时集成了忆阻功能，可对感知得到的信息进行进一步计算与存储，避免了信息传输过程中的损耗，感存算一体化功能的实现为信号的低功耗采集、处理与记忆提供了可能，对环境中的刺激可以做出实时判断。
附图说明
图1是嗅觉与视觉集成的仿生感知器件制造方法流程图。
图2是形成Ti3C2Tx纳米片薄膜后的结构示意图。
图3是形成电极后的结构示意图。
图4是嗅觉与视觉集成的仿生感知器件实现其仿生嗅觉与视觉感知功能的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
图1是嗅觉与视觉集成的仿生感知器件制造方法流程图。如图1所示，嗅觉与视觉集成的仿生感知器件制造方法包括以下步骤：
在步骤S1中，准备2×2cm的柔性PET衬底100作为制备嗅觉与视觉集成的多模式仿生感知器件的基底材料。优选地柔性衬底为PET，可选PEN、PI、PDMS等。
在步骤S2中，制备MAX相的Ti3AlC2，采用TiH2，Al和C粉末以3:1.2:2的摩尔比进行混合研磨，将混合物放在石墨坩埚中，在氩气环境氛围下加热至1000℃～1600℃，加热2小时～5小时。MAX相材料是指由三种元素组成的层状无机非金属类材料，成分为碳氮化物。MAX相材料优选为Ti3AlC2，还可以是Mo2Ga2C，Ti2AlC，Nb2AlC，V2AlC，ITO；气体氛围优选为氩气，也可以是氮气、氦气等惰性气体。
在步骤S3中，制备Ti3C2Tx纳米片溶液，将80m mol的LiF溶解在40ml的HCl溶液中获得LiF和HCl的混合液，在混合液中加入2g的Ti3AlC2，将溶液加热至45℃并搅拌48小时以去除MAX相中的Al。将悬浊液在离心管中加入去离子水进行离心操作，离心转速设置为3000rpm，每次离心时间5分钟，在离心5次后溶液的PH值大于或等于6时，取上清液即为所需的Ti3C2Tx纳米片溶液。但是本发明不限定于此，LiF的摩尔量优选范围为40m mol～100mmol；HCl溶液的体积范围可取20ml～80ml；Ti3AlC2的质量优选可取1g-3g；溶液温度优选为可取30℃～60℃；搅拌时长优选为24小时～72小时；离心转速范围可取2500rpm～4500rpm；离心时间优选范围可取3分钟～10分钟；PH值优选为6～8。
在步骤S4中，利用溶液旋涂法在柔性衬底100上旋涂Ti3C2Tx纳米片溶液，旋涂转速为3500rpm～4500rpm，旋涂时长30s～60s。随后在充满氮气的手套箱中，利用热板在60℃～150℃的温度下烘烤5分钟～20分钟，获得厚度为40nm的Ti3C2Tx纳米片薄膜101，如图2所示。
在步骤S5中，利用电子束光刻在Ti3C2Tx纳米片薄膜101上定义器件的平面型电极，设计为叉指电极的形状，电极大小为60μm×60μm～200μm×200μm。然后，利用物理气相沉积法生长30nm～100nm厚的透明电极ITO102，103，并利用丙酮去除多余部分的ITO，获得器件原型，如图3所示。
在步骤S6中，如图4所示，对器件核心材料鱼鳞状的MXene表面通入NO2气体并施加波长为600nm的激光，获得其仿生嗅觉与视觉感知功能。同时利用器件的电学信号实现神经突触仿生模拟，实现原位记忆存储与计算功能，最终将多维度感知、存储与计算功能进行一体化集成。
具体而言，鱼鳞状的Ti3C2Tx材料具有高比表面积，借助其光生载流子特性和气体敏感性，在施加光学刺激和气体刺激时，Ti3C2Tx材料中的载流子发生迁移导致器件的电导发生改变，实现仿生视觉与嗅觉的功能特性。同时，借助电极中In离子的迁移和导电细丝的形成，器件可以实现非易失性的存储功能，并且通过电导的连续调制，可以实现神经形态特性与神经计算功能。基于上述工作原理，器件可以同时实现嗅觉与视觉的感知过程、对感知得到的信息的处理计算以及对计算结果的存储功能，最终实现在同一器件的感存算功能的集成。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种嗅觉与视觉集成的仿生感知器件，其特征在于，
包括：
柔性衬底；
MXene纳米片薄膜，形成在所述柔性衬底上；
透明电极，其为叉指状，形成在所述MXene纳米片薄膜上，
向MXene纳米片薄膜的表面施加光学信号与气体信号的多模式刺激，获得仿生嗅觉与视觉感知功能，以及对感知得到的信息的处理计算和对计算结果的存储功能，实现在同一器件的感存算功能的集成。
2.根据权利要求1所述的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件，其特征在于，
所述MXene纳米片薄膜的厚度为40nm。
3.根据权利要求1所述的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件，其特征在于，
所述MXene纳米片薄膜为Ti3C2Tx，Mo2CTx，Ti2CTx，Nb2CTx或V2C Tx。
4.根据权利要求1所述的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件，其特征在于，
所述光学信号为波长600nm的激光。
5.根据权利要求1所述的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件，其特征在于，
所述气体信号为NO2气体。
6.一种嗅觉与视觉集成的仿生感知器件制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
采用溶胶凝胶方法在柔性衬底上形成MXene纳米片薄膜；
在所述MXene纳米片薄膜上形成叉指状透明电极；
向MXene纳米片薄膜的表面施加光学信号与气体信号的多模式刺激，获得仿生嗅觉与视觉感知功能，以及对感知得到的信息的处理计算和对计算结果的存储功能，实现在同一器件的感存算功能的集成。
7.根据权利要求6所述的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件制备方法，其特征在于，
所述MXene纳米片薄膜的厚度为40nm。
8.根据权利要求6所述的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件制备方法，其特征在于，
所述MXene纳米片薄膜为Ti3C2Tx，Mo2CTx，Ti2CTx，Nb2CTx或V2C Tx。
9.根据权利要求6所述的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件制备方法，其特征在于，
采用溶胶凝胶方法制备Ti3C2Tx纳米片薄膜的步骤具体包括：
采用TiH2、Al和C粉末以3:1.2:2的摩尔比进行混合研磨，将混合物放在石墨坩埚中，在惰性气体环境氛围下以1000℃～1600℃的温度退火2小时～5小时；
将40m mol～100m mol的LiF溶解在20ml～80ml的HCl溶液中获得LiF和HCl的混合液，在混合液中加入1g～3g的Ti3AlC2，将溶液加热至30℃～60℃并搅拌24小时～72小时以去除MAX相中的Al；
将悬浊液在离心管中加入去离子水进行离心操作，离心转速设置为2500rpm～4500rpm，每次离心时间3分钟～10分钟，在离心5次后溶液的PH值大于或等于6时，取上清液即为所需的Ti3C2Tx纳米片溶液；
利用溶液旋涂法在柔性衬底上旋涂Ti3C2Tx纳米片溶液，旋涂转速为3500rpm～4500rpm，旋涂时长30s～60s；
随后在充满氮气的手套箱中，利用热板在60℃～150℃的温度下烘烤5分钟～20分钟，获得Ti3C2Tx纳米片薄膜。
10.根据权利要求6所述的嗅觉与视觉集成的仿生感知器件制备方法，其特征在于，
所述光学信号为波长600nm的激光，所述气体信号为NO2气体。
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| CN202210608899.XA CN115078489A (zh) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 一种嗅觉与视觉集成的仿生感知器件及其制备方法 |
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