EP4165691A1 - Elektronisches bauelement und verfahren zum herstellen eines elektronischen bauelements - Google Patents

Elektronisches bauelement und verfahren zum herstellen eines elektronischen bauelements

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Publication number
EP4165691A1
EP4165691A1 EP21730542.4A EP21730542A EP4165691A1 EP 4165691 A1 EP4165691 A1 EP 4165691A1 EP 21730542 A EP21730542 A EP 21730542A EP 4165691 A1 EP4165691 A1 EP 4165691A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
electrically conductive
electronic component
electrodes
input
Prior art date
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Pending
Application number
EP21730542.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matteo Cucchi
Hans KLEEMANN
Karl Leo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Dresden filed Critical Technische Universitaet Dresden
Publication of EP4165691A1 publication Critical patent/EP4165691A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/50—Bistable switching devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/06—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
    • H01B1/12—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances organic substances
    • H01B1/124—Intrinsically conductive polymers
    • H01B1/127—Intrinsically conductive polymers comprising five-membered aromatic rings in the main chain, e.g. polypyrroles, polythiophenes
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02—Neural networks
    • G06N3/06—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons
    • G06N3/063—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons using electronic means
    • G06N3/065—Analogue means

Definitions

  • Various exemplary embodiments relate to an electronic component and a method for producing an electronic component.
  • Artificial neural networks are, for example, networks made up of artificial neurons. Artificial neural networks currently represent a basic building block of artificial intelligence. Such networks are characterized, for example, by a high level of interconnectivity between different network points, the artificial neurons. Furthermore, the basic principle is based, for example, on the fact that the network should be able to learn and to establish new connections between the artificial neurons.
  • Various embodiments relate to an electronic component that is suitably configured to artificially reproduce neuromorphic mechanisms.
  • the electronic component can be set up in such a way that the polymer conductor tracks are grown in a targeted manner by means of a freely movable electrode between two or more than two input electrodes and output electrodes on a substrate.
  • the connections of this artificial neural network can, according to various embodiments, be influenced (e.g. adjusted in a targeted manner) by means of the freely movable electrode.
  • an electronic component and a method for producing the electronic component are provided, the method having a targeted formation of electrical connections between electrodes.
  • the electrical connections can then be programmed and reprogrammed in a neural network.
  • the neural network is set up to carry out non-linear transformations of inputs.
  • a directional growth of an electrical connection between two or more than two electrodes (eg between several electrodes, the can function, for example, as a node in an artificial neural network) produced from polymer fibers by means of electropolymerization.
  • Various embodiments relate to an electronic component that has a substrate, for example.
  • a plurality of input electrodes and a plurality of output electrodes are arranged on and / or in the substrate at a distance from one another.
  • the electronic component furthermore has an electrically conductive network composed of one or more electrically conductive polymers, the electrically conductive network being set up to electrically network the multiplicity of input electrodes with the multiplicity of output electrodes.
  • the electrically conductive polymer can have or consist of one or more fiber structures.
  • the one or more fiber structures can, for example, be linear or network-shaped between the input electrodes and the output electrodes.
  • the polymerizable material can be a monomer of an intrinsically conductive polymer and / or a doped polymer.
  • the electrically conductive polymer can then be the intrinsically conductive polymer or the doped polymer.
  • the electronic component can furthermore have a suitable gate structure which makes it possible to influence the electrical conductivity of the electrical connection established by means of an electrical field (e.g. to adjust it in a targeted manner).
  • each further electrode can function as a gate structure which is provided in addition to the input electrodes and output electrodes.
  • branches of the polymer fibers that are not directly connected to any of the output electrodes can each function as a gate structure.
  • the electronic component can have a metallization which makes it possible to connect the at least two electrodes or the electronic component to at least one biological nerve.
  • an artificial neural network which has one or more electronic components or is formed therefrom.
  • the artificial neural network is set up, for example, in such a way that at least one arithmetic function can be carried out by means of the one electronic component or by means of the plurality of electronic components.
  • a method for producing an electronic component comprising, for example: providing an electrolyte material at least in a space between a first electrode and a second electrode, the first electrode on and / or in a substrate and the second electrode is freely movably arranged in the electrolyte material, wherein the second electrode is arranged at a distance from the first electrode and the substrate, and wherein the electrolyte material comprises at least one polymerizable material, forming at least one electrical connection between the first electrode and the second electrode by means of polymerizing the at least one polymerizable material to form an electrically conductive polymer
  • a method described herein (for example a method for producing an electronic component) can accordingly have one or more method steps that are described herein with reference to functions of a device (for example with reference to the electronic component), and vice versa .
  • FIGS. 1A and 1B show an electronic component in a schematic cross-sectional view, according to various embodiments
  • FIGS. 2A and 2B show an electronic component in a schematic plan view, in accordance with various embodiments
  • FIG. 3 shows a graph of a conductivity of an electrical connection as a function of the voltage of an electrical signal in an electronic component according to various embodiments
  • FIG. 4 shows an electronic component in a schematic plan view, according to various embodiments
  • FIG. 5 shows a schematic flow diagram of a method for producing an electronic component, in accordance with various embodiments.
  • FIGS. 6A, 6B and 6C show schematic views of a method for producing an electronic component, in accordance with various embodiments.
  • FIGS. 6A, 6B and 6C show schematic views of a method for producing an electronic component, in accordance with various embodiments.
  • FIGS. 6A, 6B and 6C show schematic views of a method for producing an electronic component, in accordance with various embodiments.
  • FIGS. 6A, 6B and 6C show schematic views of a method for producing an electronic component, in accordance with various embodiments.
  • an electronic component can have a substrate.
  • the substrate can, for example, have a planar surface and can serve, for example, as a carrier for electrodes or the like.
  • the substrate can be mechanically rigid, e.g., rigid, inflexible or rigid, or the substrate can be mechanically flexible, e.g., bendable, elastic or movable.
  • electrical connection can describe, for example, a structure that is embodied by an electrically conductive polymer.
  • the electrically conductive polymer extends, for example, between at least two electrodes and can be in physical contact with the at least two electrodes.
  • an electrolyte (for example in the form of an electrolyte solution or a solid electrolyte) can be provided between at least one input electrode and at least one output electrode, wherein, even if the electrolyte is electrically conductive to a certain extent, it is not used as an electrical connection is understood.
  • electrical connection used herein can describe, for example, a structure that provides electrical conductivity based on electron or hole conduction.
  • An electrolyte can be understood as an ion conductor, for example.
  • operating state used here can be understood, for example, as a state of a functional electronic component.
  • the operating state can, for example, be an idle state (off state, e.g. characterized by an inability to transport charge carriers in the polymer compound or by the absence of the idle state.
  • a first operating state can be, for example, a state of the electronic component in which no electrical connection is provided between at least one input electrode and an output electrode by means of the electrically conductive polymer.
  • An area between at least one input electrode and at least one output electrode can be essentially free of an electrically conductive polymer.
  • the first operating state can clearly be understood, for example, as a non-programmed or untrained state of the electronic component.
  • a second operating state of the electronic component can be, for example, a state of the electronic component in which the electrical connection between at least one input electrode and at least one output electrode is established by means of the electrically conductive polymer.
  • the electrically conductive polymer can be physically and electrically connected to an input electrode and at least one output electrode.
  • the second operating state can clearly be understood, for example, as a programmed or trained state of the electronic component.
  • the electronic component can be brought into one of a plurality of second states.
  • plasticity used herein can be understood, for example, as a property (for example the electrical conductivity) of the electrical connection of the electronic component. This can be changed and adapted in accordance with the stimulation by stimulation, for example by means of an electrical signal. The plasticity can thus clearly be understood as a basic requirement for programming the electronic component.
  • the network can be stimulated by means of an electrical signal, so that the physical properties of the electrical connection between at least one input electrode and at least one output electrode change, for example by becoming more branched, thicker and / or more.
  • the electrical properties of the electrical connection can thus change.
  • the electrical conductivity of the electrical connection can increase as a result of electrical stimulation.
  • a change in the electrical properties of the electrical connection can also be possible through absent stimulation, for example by means of an absent electrical signal, wherein the electrical connection can, for example, regress. This can be due, for example, to a breakdown and / or disentanglement of the electrically conductive polymer from which the electrical connection is made, respectively.
  • the electrical properties of the electrical connection can also change over time.
  • the electrical conductivity of the electrical connection can reduce over time.
  • short-term plasticity used here can be understood in such a way that the order of magnitude of the time in which the plasticity can change itself or can be changed by means of stimulation is taken into account. The same applies to the term “long-term plasticity” used here.
  • the order of magnitude of time associated with short-term plasticity may be less than the order of magnitude of time associated with long-term plasticity.
  • the time associated with the short-term plasticity can be, for example, less than 1 hour, for example less than 1 minute, for example less than 1 s than 10 hours, e.g. greater than 24 hours.
  • 1 A and 1 B illustrate an electronic component 100 in two mutually different operating states 100a, 100b in a schematic cross-sectional view, according to different embodiments.
  • 2A and 2B illustrate an electronic component 100 in a schematic plan view, according to various embodiments.
  • the electronic component 100 can have a substrate 102.
  • the electronic component 100 or the substrate 102 of the electronic component 100 can have a multiplicity of input electrodes 104 and a multiplicity of output electrodes 106.
  • the input electrodes 106 or 106-1, 106-2, 106-3, 106-4, 106-n or output electrodes 104 or 104-1, 104-2, 104-3, 104-4, 104-m are each arranged on and / or in the substrate 102 at a distance from one another.
  • the substrate 102 can be, for example, a non-conductive substrate 102.
  • the substrate 102 can, for example, have an electrically semiconducting or electrically conductive section, which can then be electrically isolated from the input electrodes 106 and the output electrodes 104 by means of at least one electrically insulating layer.
  • An electrically conductive network 110 composed of one or more electrically conductive polymers or polymer fibers is set up to electrically network the multiplicity of input electrodes 106 with the multiplicity of output electrodes 104.
  • the electrically conductive polymer (fibers) can be at least partially connected to one another and / or be spaced from one another. Electrically conductive polymers that are spaced apart can be electrically insulated from one another or, alternatively, act on one another by means of electrical fields (for example as a gate structure act).
  • a non-linear output can be realized by means of the gate effect of the polymer fibers on one another, as is illustrated in FIG. 3.
  • one or more gate electrodes can be provided, for example in the electrolyte material 108 and at a distance from the electrically conductive network 110.
  • a non-linear response / output to a signal applied to the input electrodes can be generated at the output electrodes.
  • a gate electrode can influence the current flow in an electrically conductive polymer fiber or in the electrically conductive network 110 in a non-linear manner.
  • neighboring polymer fibers of the electrically conductive network 110 can influence one another in a non-linear manner, for example if the polymer fibers are supplied with signals of different voltages.
  • a conductive substrate e.g. a substrate with ion conductivity
  • electrical insulation e.g., a layer of electrically insulating material
  • the electrolyte or electrolyte material that surrounds the electrically conductive network 110 and causes the nonlinear conductivity can be a liquid, a gel, a resin or a solid electrolyte, for example an electrolyte material 108, which at least is partially arranged in the space between the plurality of input electrodes 106 and the plurality of output electrodes 104, wherein one or more electrically conductive polymer fibers are at least partially arranged in the liquid, the gel or the resin.
  • any number or multiplicity of input electrodes 106 is electrically conductively connected to any number or multiplicity of output electrodes 104 through the electrically conductive network 110.
  • the electrically conductive network 110 is formed from electrically conductive organic material, for example an electrically conductive polymer (a multiplicity of polymer molecules or polymer fibers).
  • the network 110 can be designed arbitrarily or randomly or can be set up in accordance with a predetermined structure.
  • At least one electrical connection between the input electrodes 106 and output electrodes 104 can be established.
  • the at least one electrical connection can, for example, have an electrically conductive polymer or be formed therefrom.
  • the electric Conductive polymer can be formed by polymerizing the polymerizable material.
  • the electronic component 100 can thus, according to various embodiments, have neuromorphic properties. Neuromorphic properties can be based, for example, on the formation of the electrical connection between the input electrodes 104 and the output electrodes 106 (analogous to neural synaptogenesis), as well as on an electrical connection to the input electrodes 104 and the output electrodes 106 Component 100 applied electrical signal, variable plasticity of the at least one electrical connection (clearly analogous to the neural plasticity).
  • the electronic component 100 can thus be designed, for example, as a neuromorphic chip and / or synaptic connection in so-called brain-computer interfaces (brain-computer interface).
  • the signal that is applied to the input electrodes 106 during operation can be a time-dependent electrical signal.
  • the network 110 can be set up to transform or convert the input signal (depending on its voltage or current strength) in a non-linear manner, as is illustrated in the conductivity diagram 300 in FIG.
  • the electrical potential can be detected at the output electrodes 104.
  • the signal detected at the output electrodes 104 can be used for machine learning.
  • Machine learning can be, for example, a machine learning process known as reservoir computing, echo state network or liquid state machine.
  • Polymer molecules or polymer fibers that connect an input electrode 106 directly to an output electrode 104 can transport or forward an electrical current when the electronic component 100 is in operation.
  • the electrical resistance of the individual polymer fibers is linear and proportional to the potential difference between the input electrode and the output electrode.
  • polymer fibers 202 that are branches 202 from other polymer fibers and do not directly contact any of the output electrodes, as illustrated in FIG. 2B.
  • These polymer fibers 202 can be electrically charged by the signal input to the input electrodes 106.
  • the electrical charge of the branches 202 can change the ion distribution or charge carrier distribution in the liquid 108 or in neighboring polymer fibers.
  • the electrical conductivity in the adjacent polymer fibers can be changed in a non-linear manner, as is illustrated in the conductivity diagram 300 in FIG.
  • the branches 202 can clearly act as a (field effect) gate for the neighboring polymer fibers. In branch 202 the non-linearity is strong pronounced.
  • the conductivity non-linearity can be proportional to the average number and length of branches 202 per polymer fiber.
  • the electrically conductive network 110 is set up in such a way that at least one input electrode of the plurality of input electrodes has or has an electrical connection 110 to at least one first output electrode and a second output electrode of the plurality of output electrodes . is connected in an electrically conductive manner.
  • an electrical connection 110 is formed between at least one first input electrode or a second input electrode of the plurality of input electrodes and at least one output electrode of the plurality of output electrodes.
  • the one or more electrically conductive polymer fibers may be spaced apart above the substrate 102.
  • the one or more electrically conductive polymer fibers are completely free of physical contact with the substrate 102, at least in one section.
  • At least one electrically conductive polymer or polymer fiber of the electrically conductive network 110 which connects an input electrode 106 to an output electrode 104, can have at least one junction or junction 202, the end 202 of which does not connect to any of the output -Electrodes 104 is electrically connected (as illustrated in FIG. 2B).
  • each of the input electrodes 106 and output electrodes 104 can be electrically insulated from the electrolyte material 108 in sections.
  • one or more regions of the respective electrode 104, 106 can be electrically separated from the electrolyte material 108 by means of an electrically insulating layer 107.
  • the electrically insulating layer 107 can be applied, for example, to the respective region of the electrode 104, 106 which is to be electrically insulated from the electrolyte material 108.
  • at least one active section of the respective input electrode 104 or output electrode 106 can be defined, from which the formation of the electrical connection starts or to which the electrical connection can grow.
  • the substrate 102 can comprise a steel foil, sheet steel, a plastic wafer, a plastic foil, or a laminate with one or more plastic foils or made thereof be educated.
  • the plastic can have or be formed from one or more polyolefins (for example polyethylene (PE) with high or low density or polypropylene (PP)).
  • the plastic can also contain polyvinyl chloride (PVC), polystyrene (PS), polyester and / or polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), polyether sulfone (PES), polyether ether ketone (PEEK), polytetrafluoroethylene (PTFE) and / or polyethylene naphthalate (PEN) or be formed from it.
  • the substrate 102 can comprise one or more of the above-mentioned materials.
  • the substrate can comprise or consist of natural polymers, e.g. cellulose, collagen, polylactic acid, gelatin. These natural polymers or other materials can function as ion-conducting material, for example.
  • the electrolyte material can be provided by a material of the substrate.
  • the input electrodes 104 and the output electrodes 106 can be formed on and / or in the substrate 102.
  • the input electrodes 106 and output electrodes 104 can, for example, be arranged essentially in the same plane on and / or in the substrate 102.
  • the substrate 102 can have a substantially planar surface 102s, and the input electrodes 106 and the output electrodes 104 can be applied directly to the planar surface 102s.
  • the input electrodes 106 and the output electrodes 104 can be arranged in different planes on and / or in the substrate 102.
  • the input electrodes 106 and the output electrodes 104 may be spaced less than 200 mhi apart, e.g., less than
  • a plurality of the input electrodes 106 and / or output electrodes 104 can be provided in such a way that the electrodes are arranged in the form of a grid.
  • the grid can for example be 2-dimensional or 3-dimensional.
  • the respectively adjacent input electrodes or output electrodes can have essentially the same distance from one another.
  • the grid can clearly be a square or cubic grid, for example.
  • the electrically conductive polymer compounds can grow within a structure that is 3-dimensionally porous.
  • the input electrodes 106 and the output electrodes 104 can comprise or consist of a metal or a metal alloy, for example.
  • the input Electrodes 106 and output electrodes 104 comprise or consist of aluminum, copper, gold, platinum, silver.
  • the input electrodes 106 and the output electrodes 104 can also comprise or consist of silver chloride, platinum, iridium, palladium, nickel, molybdenum, tantalum, tungsten, etc., for example.
  • the input electrodes 106 and the output electrodes 104 can also comprise or consist of carbon or a highly conductive polymer (for example PEDOT: PSS).
  • the electrolyte material 108 can have or consist of a liquid electrolyte, for example an ionic liquid, a carbonate-based electrolyte, and / or a polymer electrolyte, also called ionomer.
  • the electrolyte material 108 can comprise or consist of porous media immersed in a solution, for example an ionic porous polymer and / or a porous electrolyte solid.
  • the electrolyte material 108 has mobile ions.
  • the ions can be, for example, perchlorate ions or other suitable ions.
  • the electrolyte material 108 can include lithium perchlorate, tetrabutylammonium perchlorate or other suitable materials, such as sodium chloride, sodium bromide, potassium chloride, cupric chloride, copper sulfate, sodium iodide, etc., for example.
  • the electrolyte material 108 can be arranged, for example, at least during the method for producing the electronic component 100 in a spatial region 105 between the input electrodes 106 and output electrodes 104.
  • the input electrodes 106 and the output electrodes 104 can be at least partially in physical contact with the electrolyte material 108.
  • the electrolyte material 108 may, according to various embodiments, comprise a polymerizable polymer.
  • the polymerizable material can be a monomer of an intrinsically electrically conductive polymer.
  • the monomer can be converted to an electrically conductive polymer, for example by means of polymerisation.
  • the monomer can comprise or be, for example, 3,4-ethylenedioxythiophene.
  • the intrinsically conductive polymer can in this case
  • the polymerizable material can be a monomer of a doped polymer.
  • the monomer can be converted to a doped polymer by means of polymerisation.
  • the electronic component 100 can have a control device 112.
  • the control device 112 can communicate with the input electrode 106 and floating electrode 120 for providing an electrical signal to input electrodes 106 and output electrodes 104.
  • control device 112 can be set up in such a way that the electronic component 100 can be brought from the first operating state 100a to the second operating state 100b by means of the provided electrical signal 112s. This can be done by polymerizing the at least one polymerizable material to form the electrically conductive polymer.
  • the electrical signal 112s provided can have an amplitude in a range from approximately 20 mV to approximately 5 V, for example in a range from approximately 50 mV to approximately 2 V.
  • the provided electrical signal 112s can have an electrical voltage that changes over time, for example an alternating voltage, a pulsed direct voltage, and / or a pulsed bipolar voltage.
  • the control device 112 can be set up, for example, in such a way that the electrical voltage that changes over time has a frequency in a range from approximately 10 Hz to approximately 10 kHz, for example in a range from approximately 5 Hz to approximately 5 kHz, for example in a range of about 2 Hz to about 2 KHz.
  • the control device 112 can be set up in such a way that the electrical voltage that changes over time is a periodic electrical voltage with a period duration in a range from approximately 0.01 ms to approximately 0.1 s, for example in a range from approximately 0.5 ms to about 50 ms.
  • the control device 112 can be set up, for example, in such a way that the electrical voltage that changes over time has a switch-on duration (also referred to as on-time) in a range from approximately 10% to approximately 50%, for example in a range from approximately 20% to approximately 40%.
  • the control device 112 can be set up, for example, in such a way that the electrical voltage that changes over time has a bandwidth in a range from approximately 10 Hz to approximately 10 kHz, for example in a range from approximately 5 Hz to approximately 5 kHz, in a range of approximately 2 Hz to about 2 kHz.
  • the at least one polymerizable material can only be polymerized if the applied electrical voltage is above an electrical threshold voltage.
  • the electrical threshold voltage can be dependent on the configuration of the input electrodes 106 and output electrodes 104.
  • the electrical threshold voltage can be a function of the distance between the input electrodes 104 and the output electrodes 106 and / or a function of the properties of the electrical signal provided, for example a function of the pulse frequency.
  • the electrical threshold voltage can be in a range from about 20 mV to about 5V.
  • the electrolyte material 108 in the first operating state 100a can be essentially free of the electrical connection made from the electrically conductive polymer.
  • the electronic component 100 can be free of a continuous polymer structure that connects the input electrodes 106 to the output electrodes 104 in an electrically conductive and physical manner.
  • the first operating state 100a of the electronic component 100 can clearly be an unprogrammed state of the electronic component 100.
  • the polymerizable material in the electrolyte material 108 can essentially be in
  • the electrolyte material 108 can also comprise polymers of the polymerizable material, wherein the polymers can be contained in the electrolyte material 108 in soluble and / or insoluble form, but do not connect the input electrodes 106 and the output electrodes 104 to one another.
  • the electronic component 100 can have at least one electrical connection in the second operating state 100b.
  • the electronic component 100 can, for example, have a structure which connects the input electrode 106 to the output electrode 104 in an electrically conductive and physical manner.
  • the second operating state of the electronic component 100 can clearly be a programmed state of the electronic component
  • the electrolyte material 108 has the electrically conductive polymer, which can form the electrical connection.
  • the electrical connection is at least partially insoluble in the electrolyte material 108 and is, for example, essentially surrounded by the electrolyte material 108.
  • the electrical connection can be formed by means of electropolymerization, for example by means of a field-directed polymerization of the at least one polymerizable material of the electrolyte material 108 to form the electrically conductive polymer.
  • the electrolyte material 108 can furthermore have the polymerizable material as well as polymers of the polymerizable material different from the electrically conductive polymer, wherein the different polymers can be contained in the electrolyte material 108 in soluble and / or insoluble form.
  • the at least one electrical connection can clearly be formed from a proportion of the total amount of polymerizable material.
  • the electrically conductive polymer can have or consist of one or more fiber structures.
  • the one or more fiber structures can, for example, be network-shaped or at least branched one or more times.
  • the one fiber structure can have, for example, one strand or a plurality of strands, the one or more strands extending from the input electrodes 106 to the output electrodes 104.
  • the electrically conductive polymer of the electrically conductive connection of an input electrode 106 to an output electrode 104 is clearly a polymer fiber (also referred to as a polymer fiber structure or an electrically conductive fiber structure).
  • a polymer fiber is illustrated in FIG. 1B, for example.
  • the electrically conductive network made up of a large number of fiber structures is illustrated in FIG. 2A and FIG. 2B.
  • a single fiber structure usually has an average diameter in a range from about 1 mhi to about 50 mhi, for example in a range from about 3 mhi to about 10 mhi.
  • a polymer fiber is essentially a straight electrical connection from an input electrode 106 to an output electrode 104
  • the polymer fibers are clearly thicker than polymer compounds in a polymer coating and have a higher directionality (no or fewer branches and entanglements).
  • the physical properties (e.g. the electrical conductivity) of the at least one connection can be defined, for example, by the length and / or the thickness of the one or more fiber structures of the at least one electrical connection, the number of fiber structures, the degree of branching of the one or more fiber structures and / or the directionality of the one or more fiber structures.
  • the term “directionality” is understood to mean the direction in which the one or more fiber structures in the electrolyte material 108 extend and whether the one or more fiber structures are essentially grown from one of the input electrodes 106 and output electrodes 104, as shown in FIG .6A-FIG.6C is illustrated.
  • the control device 112 can be set up to provide an electrical voltage between one or more input electrodes 106 and the freely movable electrode 120 (see FIGS. 6A-6C) in such a way that the electrically conductive polymer of the at least one electrical Compound from the at least one polymerizable material of the electrolyte material 108 is formed.
  • the at least one polymerizable material of the electrolyte material 108 can clearly be polymerized in such a way that the electronic component 100 is brought into the second operating state 100b.
  • the electrical signal 112s provided by the control device 112 can influence the physical and electrical properties of the at least one electrical connection.
  • the electrically conductive polymer can be free of physical contact with the substrate 102, at least in sections.
  • the at least one electrical connection can be completely surrounded by electrolyte material 108, for example.
  • the electrolyte material 108 can have mobile ions for providing a short-term plasticity of the at least one electrical connection.
  • the mobile ions can penetrate into the electrically conductive polymer, for example, in such a way that the electrical connection is doped.
  • the ions can, for example, attach to the electrically conductive polymer in such a way that the electrical connection is influenced. This enables, for example, a change in the physical and / or the electrical properties of the at least one electrical connection.
  • the electrolyte material 108 can be set up, for example, in such a way that the electronic component 100 can be brought from the second operating state 100b to the first operating state 100a or into another further state by means of the provided electrical signal 112s of the control device 112.
  • the electrolyte material 108 can for example comprise a material, for example an enzyme and / or a chemical compound, which is suitable for at least partially breaking down the electrical connection by means of the electrical signal provided by the control device 112.
  • the electronic component 100 has a
  • the feedback channel 400 is set up to connect at least one output electrode to an input electrode in an electrically conductive manner, as is illustrated in FIG.
  • a recurrent neural network can be implemented by means of the feedback channel 400, for example for so-called reservoir computing or for so-called spiking neural networks
  • an artificial neural network has one or more electronic components 100.
  • the artificial neural network can be set up to carry out at least one arithmetic function by means of the one electronic component 100 or by means of the plurality of electronic components 100.
  • FIG. 5 illustrates a schematic flow diagram of a method for producing an electronic component, in accordance with various embodiments.
  • a method for producing 500 an electronic component includes providing 510 an electrolyte material 108 at least in a space between a first electrode and a second electrode, the first electrode on and / or in a substrate 102 and the second electrode freely movable in the electrolyte material is arranged.
  • the second electrode can be arranged at a distance from the first electrode and the substrate.
  • the electrolyte material 108 can include at least one polymerizable material.
  • the method 500 may further include forming 520 at least one electrical connection between the first electrode and the second electrode by polymerizing the at least one polymerizable material to form an electrically conductive polymer.
  • the polymer formed can contact the second electrode 120 in the process.
  • the second electrode 120 is then moved in the electrolyte material 108, the polymer tears off the second electrode 120.
  • the second electrode 120 can be moved before the polymer formed has reached the second electrode 120.
  • the method for producing an electronic component can have one or more functions that are described herein with reference to the electronic component or a part of the electronic component (for example the control device) and vice versa.
  • the method for producing 500 the electronic component enables, for example, repeated programming of the electronic component with different neuromorphic properties.
  • the method 500 may further include moving the second electrode in the electrolyte material so that the distance from the first electrode is increased, the spatial extent of the electrically conductive polymer being increased.
  • the spatial expansion is increased in that the polymer growth or the direction of growth of the polymer follows the direction of movement of the second electrode 120.
  • the method 500 may further include moving the second electrode to a third electrode, which is arranged on and / or in a substrate 102 and at a distance from the first electrode.
  • the second electrode can make electrical contact with the third electrode in such a way that the electrically conductive polymer forms an electrical connection between the first electrode and the third electrode.
  • the second electrode can be the third electrode outside of the
  • the second electrode can contact the third electrode outside of the electrolyte material.
  • Forming 520 the at least one The electrical connection can be made by applying an electrical signal between at least the output electrodes 104 and the input electrodes 106.
  • Forming 520 the at least one electrical connection between the first electrode and the second electrode may include forming a single fiber structure by means of polymerizing the at least one polymerizable material.
  • the fiber structure can have physical contact with the first electrode.
  • the electrolyte material 108 can have a first conductivity and the at least one electrical connection can have a second conductivity, wherein the first electrical conductivity can be, for example, less than the second electrical conductivity.
  • the method 500 can furthermore include a depolymerization and / or a disentangling of the electrically conductive polymer to form a depolymerized and / or disentangled polymerizable material by means of an energy supply.
  • the energy can be supplied by supplying thermal energy and / or by supplying electromagnetic radiation.
  • a disentangling of the electrically conductive polymer (also referred to as “disentanglement”) can be understood, for example, to mean that a fiber consisting of several interwoven polymer chains disentangles, which can clearly be understood as a type of glass transition in polymers.
  • FIG.6A, FIG.6B and FIG.6C show an electronic component 100 in a schematic
  • the electronic component 100 can also have at least one further electrode 120 (also referred to as a freely movable electrode or second electrode) in addition to the output electrodes 104 and the input electrodes 106.
  • at least one further electrode 120 also referred to as a freely movable electrode or second electrode
  • the electrically conductive network 110 can be formed by applying an alternating current signal via one of the input electrode 106 (also referred to as the first electrode) or the output electrode 104 (also referred to as the third electrode) and a freely movable electrode 120 (also referred to as the second electrode ), as illustrated in FIG. 6A, FIG. 6B, and FIG. 6C.
  • the electrodes 106, 104, 120 are surrounded by an electrolyte material 108 that contains a material that can be polymerized by the alternating current signal.
  • the polymerizable material is electrically conductive in the polymerized state.
  • the polymerizable The material is, for example, a monomer, for example 3,4-Ethylenedioxythiophenes (EDOT), and the electrically conductive polymer formed therefrom, for example, Poly-3,4-Ethylenedioxythiophenes (PEDOT).
  • EDOT 3,4-Ethylenedioxythiophenes
  • PEDOT Poly-3,4-Ethylenedioxythiophenes
  • AC signal applied across the first and second electrodes 106, 120 is fed from the first electrode 106 to the third electrode 104 (illustrated in FIGS. 6A-6C) to form the electrical connection through the electrically conductive polymer.
  • the alternating current signal is set up, for example with regard to the applied voltage, to oxidize the monomer (for example EDOT) and to initiate or trigger the polymerization between the first and second electrodes 106, 120.
  • the electrically conductive polymer grows by means of electropolymerization on or above the surface 102s of the substrate 102 in the direction of the freely movable, second electrode 120 (see FIGS. 6A, 6B). In other words: the direction of growth of the growing polymer follows the direction of movement of the second electrode in the electrolyte material 108.
  • the second electrode 120 can contact the third electrode 104 or, alternatively, be positioned in close proximity to it so that the electrically conductive polymer can connect to the third electrode 104 (see FIG. 6C).
  • the alternating current signal is applied via the second electrode via the first electrode 106 and the third electrode 104.
  • the shape of the network 110 can be influenced by the movement profile or the movement of the second electrode 120.
  • a precisely configured or preprogrammed movement of the second electrode 120 in the electrolyte material can be used to form a precisely formed network 110.
  • the second electrode 120 can be manually or automatically guided arbitrarily through the electrolyte material 108.
  • the second electrode 120 can also, for example, be analogous to the shape and control of the
  • Measuring needle of an atomic force microscope be set up, for example with regard to the arrangement of a needle on a spiral spring, vibration damping and distance control to the substrate.
  • the second electrode 120 (for example the needle-shaped section) can, however, have a larger spatial extent, for example in the range of a few mhi to mm, than the conventional measuring needle on the spiral spring for an atomic force microscope.
  • the electrolyte material 108 can be removed after the network 110 has been formed.
  • the network 110 can thus clearly be dry on the Substrate 102 remain.
  • Another liquid, gel, or resin can optionally be applied to enclose the network.
  • the electrical conductivity and the mechanical and optical stability (for example with regard to electrical and / or photo degradation) of the network 110 can be set.
  • an electrolyte material 108 can be arranged at least in a spatial region between the input electrodes 106 and output electrodes 104.
  • the electrolyte material 108 can include at least one polymerizable material.
  • the electrolyte material 108 can include an electrolyte solution, and the polymerizable material can be dissolved and / or dispersed in the electrolyte solution.
  • the electrolyte material 108 can have a carrier liquid, wherein the electrolyte can be dissolved and / or dispersed in the carrier liquid and wherein the polymerizable material can also be dissolved and / or dispersed in the carrier liquid.
  • a plurality of freely movable electrodes 102 can be provided in order to form a plurality of polymer fibers, each of which connects an input electrode to an output electrode.
  • the at least one electrical connection can be formed as follows:
  • an electrical voltage of less than 2 V can be used.
  • a lower electrical voltage e.g. of -1 V
  • a lower electrical voltage can be applied to one or more electrodes in order to reduce the electrical field and / or the salt distribution in the electrolyte material, and thus the
  • Directionality of polymerizing to control This enables, for example, multiple connections to be formed and their growth to be triggered with external stimuli.
  • the artificial neural network formed from an electrically conductive polymer can clearly resemble the dendritic topology of a synapse, for example, and the growth can be comparable to a synaptogenetic process.
  • the alternating current (AC) signal can be in a range from about 1 V to about 6 V and can be applied to the at least two electrodes, wherein the at least two electrodes are in contact with a solution containing:
  • TAPF6 sodium tetrabutylammonium hexafluorophosphate
  • the polymerization can lead, for example, to the formation of poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) fibers which are doped with hexafluorophosphate PF6-.
  • PEDOT poly-3,4-ethylenedioxythiophene
  • the amplitude of the electrical signal can have little influence on the formation of the at least one electrical connection, provided that enough electrical voltage is provided to support the oxidative polymerization in PEDOT.
  • the frequency of the electrical signal can have a significant influence on the formation of the at least one electrical connection. It was recognized, for example, that there is a strong correlation between the frequency and the degree of branching of the at least one electrical connection 100, as is shown in FIG. 2, for example. Frequencies of, for example, more than 200 Hz can lead to the formation of more highly branched electrical connections, with an increase in the period of the alternating voltage reducing the branches and increasing the cross section of the at least one electrical connection.
  • the monomers can be influenced, for example, by the electrical voltage and the ions can be subject to Braun's motion.
  • the polymerization reaction can be triggered, for example, by oxidizing the monomer, with doped, PF6-stabilized oligomers being formed, which in turn can react with PEDOT fibers that have already been formed.
  • the presence of the electrolyte material and the local, e.g. positive, voltage which is greater than the oxidation potential of the monomer can be helpful in realizing the electrochemical reaction. Ions can clearly collect at the interface between at least one input electrode and at least one output electrode and the electrolyte material with a certain resistance-capacitor duration ("RC time"). A longer period of time allows, for example, more reactions to take place on the extremities of the fibers. This can lead to wider fibers. During the cathodic moment that follows, only the newly formed extremities of the fibers can become reactive. This effect offers the possibility, for example, of controlling the conductivity of the at least one electrical connection made of electrically conductive polymer by means of structural changes.
  • RC time resistance-capacitor duration
  • Example 1 is an electronic component comprising: a substrate, the substrate having a plurality of input electrodes and a plurality of output electrodes spaced apart on and / or in the substrate; and an electrically conductive network composed of one or more electrically conductive polymers, wherein the electrically conductive network is configured to electrically network the plurality of input electrodes with the plurality of output electrodes.
  • the electrically conductive network can each have at least one fiber structure composed of the one electrically conductive polymer or the plurality of electrically conductive polymers, which extends from at least one input electrode to at least one output electrode.
  • the fiber structure can have a mean diameter in a range from approximately 1 mhi to approximately 50 mhi, for example in a range from 3 mhi to 10 mhi.
  • the fiber structure can have a substantially straight structure.
  • the electronic component according to example 1 can optionally also have an electrolyte material which is at least partially arranged in the space between the plurality of input electrodes and the plurality of output electrodes, at least a part of the electrically conductive network being arranged in the electrolyte material is.
  • the electronic component according to example 1 or 2 can optionally further have that at least one electrically conductive polymer of the electrically conductive network, which connects an input electrode to an output electrode, has at least one junction whose end does not connect to any of the output -Electrodes is electrically connected.
  • the electronic component according to example 3 can optionally also have the junction oriented towards a further electrically conductive polymer of the electrically conductive network.
  • the electronic component according to one of examples 1 to 4 can optionally further comprise: at least one input electrode of the plurality of input electrodes; and at least a first output electrode and a second output electrode of the plurality of output electrodes; wherein the input electrode is electrically connected to the first and second output electrodes.
  • the electronic component according to one of examples 1 to 5 can optionally further comprise: at least one first input electrode and one second input electrode of the plurality of input electrodes; and at least one output electrode of the plurality of output electrodes, the first and second input electrodes being electrically connected to the output electrode.
  • the electronic component according to one of examples 1 to 6 can optionally also have a feedback channel which is designed to connect at least one output electrode to an input electrode in an electrically conductive manner.
  • the electronic component according to one of examples 1 to 7 can furthermore optionally have that one or more electrically conductive polymer fibers of the electrically conductive polymer are arranged at a distance above the substrate.
  • the electronic component according to example 8 can optionally have one or more electrically conductive polymer fibers being completely free of physical contact with the substrate, at least in one section.
  • the electronic component according to one of examples 1 to 9 can optionally be set up as a neuromorphic chip and / or a synaptic connection in a brain-computer interface.
  • Example 11 is an artificial neural network comprising: one or more electronic components according to one of Examples 1 to 10, the artificial neural network being set up to carry out at least one arithmetic function by means of the one electronic component
  • Example 12 is a method for making an electronic component, the method comprising: providing an electrolyte material at least in a space region between a first electrode and a second electrode, the first electrode on and / or in a
  • Substrate and the second electrode is freely movably arranged in the electrolyte material, wherein the second electrode is arranged at a distance from the first electrode and the substrate, and wherein the electrolyte material comprises at least one polymerizable material, forming at least one electrical connection between the first electrode and the second electrode by means of polymerizing the at least one polymerizable material to form an electrically conductive polymer.
  • the method according to example 12 can optionally further comprise: moving the second electrode in the electrolyte material so that the distance from the first electrode is increased, the spatial extent of the electrically conductive polymer being increased.
  • the method according to example 12 or 13 can further optionally comprise: moving the second electrode to a third electrode, which is arranged on and / or in a substrate and at a distance from the first electrode, the second electrode being the third electrode electrically contacted in such a way that the electrically conductive polymer forms an electrical connection between the first electrode and the third electrode
  • the method according to example 14 can optionally include that the second electrode contacts the third electrode outside of the electrolyte material or that the second electrode contacts the third electrode within the electrolyte material.
  • the method according to one of examples 12 to 15 can optionally have the at least one electrical connection being formed by applying an electrical signal between at least the first electrode and the second electrode.
  • the method according to one of examples 12 to 16 can optionally include that the formation of the at least one electrical connection between the first electrode and the second electrode comprises forming a single fiber structure by means of polymerizing the at least one polymerizable material, the fiber structure having a has physical contact with the first electrode.
  • the method according to any one of examples 14 to 17 can optionally include that the
  • Forming the at least one electrical connection between the first electrode and the third electrode comprises forming a single fiber structure by means of polymerizing the at least one polymerizable material, the fiber structure having physical contact with the first and third electrodes.
  • the method according to one of example 12 or 18 can optionally have a repetition of the steps according to one of examples 12 to 18 for at least one or more further input electrodes and one or more output electrodes, so that an electrically conductive network with forming the plurality of electrical connections between the plurality of input electrodes and the plurality of output electrodes.
  • the method according to example 19 can optionally further include machine learning of the electrical network, wherein one or more predetermined signals are sent to one or more a plurality of input electrodes is applied and one or more signals at one or more output electrodes are determined in response, the machine learning being a machine learning method known as reservoir computing, echo state network or liquid state machine.

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Abstract

In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein elektronisches Bauelement (100) bereitgestellt. Das elektronische Bauelement (100) kann ein Substrat (102) aufweisen, wobei das Substrat (102) eine Vielzahl von Eingabe-Elektroden (106) und eine Vielzahl von Ausgabe-Elektroden (104) aufweist, die auf und/oder in dem Substrat (102) in einem Abstand voneinander angeordnet sind; und ein elektrisch leitfähiges Netzwerk aus einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Polymeren aufweisen, wobei das elektrisch leitfähige Netzwerk eingerichtet ist, die Vielzahl von Eingabe-Elektroden mit der Vielzahl von Ausgabe-Elektroden elektrisch zu vernetzen.

Description

ELEKTRONISCHES BAUELEMENT UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES ELEKTRONISCHEN BAUELEMENTS
BESCHREIBUNG
Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen ein elektronisches Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauelements.
Künstliche neuronale Netze (auch bezeichnet als künstliche neuronale Netzwerke) sind beispielsweise Netze aus künstlichen Neuronen. Derzeit stellen künstliche neuronale Netze einen Grundbaustein der künstlichen Intelligenz dar. Derartige Netze zeichnen sich beispielsweise durch eine hohe Interkonnektivität zwischen verschiedenen Netzpunkten, den künstlichen Neuronen, aus. Weiterhin beruht das Grundprinzip beispielsweise darauf, dass das Netz in der Lage sein soll zu lernen und dazu neue Verbindungen zwischen den künstlichen Neuronen auszubilden.
Im Allgemeinen werden Möglichkeiten gesucht, um die Funktionen der natürlichen Neuronen und Synapsen nachzuahmen und letztlich zu versuchen, die natürlichen neuromorphen Mechanismen künstlich zu reproduzieren.
Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auf ein elektronisches Bauelement, das in geeigneter Weise eingerichtet ist, um neuromorphen Mechanismen künstlich zu reproduzieren.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das elektronische Bauelement derart eingerichtet sein, dass die Polymerleiterbahnen gezielt mittels einer freibeweglichen Elektrode zwischen zwei oder mehr als zwei Eingabe-Elektroden und Ausgabe-Elektroden auf einem Substrat gewachsen sind. Die Verbindungen dieses künstlichen neuronalen Netzes können, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, mittels der freibeweglichen Elektrode beeinflusst werden (z.B. gezielt eingestellt werden).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden ein elektronisches Bauelement sowie ein Verfahren zum Herstellen des elektronischen Bauelements bereitgestellt, wobei das Verfahren ein gezieltes Ausbilden elektrischer Verbindungen zwischen Elektroden aufweist. Die elektrischen Verbindungen können dann in einem neuronalen Netzwerk programmiert und umprogrammiert werden. Das neuronale Netzwerk ist eingerichtet, nichtlineare Transformationen von Eingaben durchzuführen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein gerichtetes Wachstum einer elektrischen Verbindung zwischen zwei oder mehr als zwei Elektroden (z.B. zwischen mehreren Elektroden, die beispielsweise als Knoten eines künstlichen neuronalen Netzes fungieren können) aus Polymer- Fasern mittels Elektropolymerisation erzeugt.
Verschiedene Ausführungsformen betreffen ein elektronisches Bauelement, welches beispielsweise ein Substrat aufweist. Eine Vielzahl von Eingabe-Elektroden und eine Vielzahl von Ausgabe- Elektroden sind auf und/oder in dem Substrat in einem Abstand voneinander angeordnet. Das elektronische Bauelement weist weiterhin ein elektrisch leitfähiges Netzwerk aus einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Polymeren auf, wobei das elektrisch leitfähige Netzwerk eingerichtet ist, die Vielzahl von Eingabe-Elektroden mit der Vielzahl von Ausgabe-Elektroden elektrisch zu vernetzen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das elektrisch leitfähige Polymer ein oder mehrere Faserstrukturen aufweisen oder daraus bestehen. Die eine oder mehreren Faserstrukturen können beispielsweise linear oder netzförmig zwischen den Eingabe-Elektroden und den Ausgabe- Elektroden ausgebildet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das polymerisierbare Material ein Monomer eines intrinsisch leitfähigen Polymers und/oder eines dotierten Polymers sein. Das elektrisch leitfähige Polymer kann in diesem Fall dann das intrinsisch leitfähige Polymer bzw. das dotierte Polymer sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das elektronische Bauelement ferner eine geeignete Gate-Struktur aufweisen, welche es ermöglicht, die elektrische Leitfähigkeit der hergestellten elektrischen Verbindung mittels eines elektrischen Feldes zu beeinflussen (z.B. gezielt einzustellen). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann jede weitere Elektrode als Gate- Struktur fungieren, die zusätzlich zu den Eingabe-Elektroden und Ausgabe-Elektroden bereitgestellt ist. Alternativ können Abzweigungen der Polymerfasern, die mit keiner der Ausgabe-Elektroden direkt verbunden sind, jeweils als Gate-Struktur fungieren.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das elektronische Bauelement eine Metallisierung aufweisen welche es ermöglicht, die mindestens zwei Elektroden bzw. das elektronische Bauelement mit mindestens einem biologischen Nerv zu verbinden.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird ein künstliches neuronales Netz bereitgestellt, welches ein oder mehrere elektronische Bauelemente aufweist oder daraus gebildet ist. Das künstliche neuronale Netz ist beispielsweise derart eingerichtet, dass mindestens eine Rechenfunktion mittels des einen elektronischen Bauelements bzw. mittels der mehreren elektronischen Bauelemente ausgeführt werden kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauelements bereitgestellt, wobei das Verfahren beispielsweise aufweist: Bereitstellen eines Elektrolytmaterials zumindest in einem Raumbereich zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, wobei die erste Elektrode auf und/oder in einem Substrat und die zweite Elektrode freibeweglich in dem Elektrolytmaterial angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode in einem Abstand zu der ersten Elektrode und dem Substrat angeordnet ist, und wobei das Elektrolytmaterial mindestens ein polymerisierbares Material aufweist, Bilden mindestens einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode mittels Polymerisierens des mindestens einen polymerisierbaren Materials zu einem elektrisch leitfähigen Polymer
Es versteht sich, dass ein hierin beschriebenes Verfahren (z.B. ein Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauelements) entsprechend ein oder mehrere Verfahrensschritte aufweisen kann, die hierin mit Bezug auf Funktionen einer Vorrichtung (z.B. mit Bezug auf das elektronische Bauelement) beschrieben sind, und vice versa.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen:
Figuren 1A und 1 B ein elektronisches Bauelement in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
Figuren 2A und 2B ein elektronisches Bauelement in einer schematischen Aufsicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
Figur 3 eine Grafik einer Leitfähigkeit einer elektrischen Verbindung in Abhängigkeit von der Spannung eines elektrischen Signals bei einem elektronischen Bauelement gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
Figur 4 ein elektronisches Bauelement in einer schematischen Aufsicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
Figur 5 ein schematisches Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Herstellen eines elektronischen Bauelements, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
Figuren 6A, 6B und 6C schematische Ansichten eines Verfahrens zum Herstellen eines elektronischen Bauelements, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen zur Veranschaulichung spezifische Details und Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein elektronisches Bauelement ein Substrat aufweisen. Das Substrat kann beispielsweise eine plane Oberfläche aufweisen und beispielsweise als Träger für Elektroden oder ähnliches dienen. Das Substrat kann beispielsweise mechanisch rigid, z.B. starr, unbiegsam bzw. fest sein, oder das Substrat kann mechanisch flexibel sein, z.B. biegbar, elastisch bzw. beweglich. Eine Struktur, die beispielsweise nicht körperlich mit den Elektroden des hierin beschriebenen elektronischen Bauelements verbunden ist, kann beispielsweise nicht als Substrat verstanden werden.
Der hierin verwendete Begriff „elektrische Verbindung“ kann beispielsweise eine Struktur beschreiben, die durch ein elektrisch leitfähiges Polymer verkörpert wird. Das elektrisch leitfähige Polymer erstreckt sich beispielsweise zwischen mindestens zwei Elektroden und kann mit den mindestens zwei Elektroden in körperlichem Kontakt sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Elektrolyt (z.B. in Form einer Elektrolytlösung oder eines Festkörperelektrolyten) zwischen mindestens einer Eingabe-Elektrode und mindestens einer Ausgabe-Elektrode bereitgestellt sein, wobei, auch wenn das Elektrolyt in einem gewissen Umfang elektrisch leitfähig ist, es nicht als elektrische Verbindung verstanden wird.
Der hierin verwendete Begriff „elektrische Verbindung“ kann beispielsweise eine Struktur beschreiben, die eine elektrische Leitfähigkeit basierend auf Elektronen- oder Löcherleitung bereitstellt. Ein Elektrolyt kann beispielsweise als ein lonenleiter verstanden werden.
Der hierin verwendete Begriff „Betriebszustand“ kann beispielsweise als ein Zustand eines funktionstüchtigen elektronischen Bauelements verstanden werden. Der Betriebszustand kann beispielsweise ein Ruhezustand (Aus-Zustand, z.B. charakterisiert durch eine fehlende Fähigkeit zum Ladungsträgertransport der Polymerverbindung oder durch die Abwesenheit der
Polymerverbindung) und einen aktiven Zustand (An-Zustand, z.B. charakterisiert durch die Fähigkeit zum Ladungsträgertransport der Polymerverbindung und die Anwesenheit der Polymerverbindung) sein, aber auch darüber hinausgehen, unabhängig davon, ob das elektronische Bauelement mit elektrischer Energie versorgt ist. Anschaulich kann der Betriebszustand des elektronischen Bauelements beispielsweise auch ohne Zufuhr elektrischer Energie zumindest für eine gewisse Zeit (z.B. Tage, Wochen oder Monate) erhalten bleiben. Ein erster Betriebszustand kann beispielsweise ein Zustand des elektronischen Bauelements sein, in dem keine elektrische Verbindung mittels des elektrisch leitfähigen Polymers zwischen mindestens einer Eingabe-Elektrode und einer Ausgabe- Elektrode bereitgestellt ist. Dabei kann ein Bereich zwischen mindestens einer Eingabe-Elektrode und mindestens einer Ausgabe-Elektrode im Wesentlichen frei von einem elektrisch leitfähigen Polymer sein. Der erste Betriebszustand kann anschaulich beispielsweise als ein nicht- programmierter oder untrainierter Zustand des elektronischen Bauelements verstanden werden. Ein zweiter Betriebszustand des elektronischen Bauelements kann beispielsweise ein Zustand des elektronischen Bauelements sein, in dem die elektrische Verbindung zwischen mindestens einer Eingabe-Elektrode und mindestens einer Ausgabe-Elektrode mittels des elektrisch leitfähigen Polymers hergestellt ist. Dabei kann das elektrisch leitfähige Polymer körperlich und elektrisch mit einer Eingabe-Elektrode und mindestens einer Ausgabe-Elektrode verbunden sein. Der zweite Betriebszustand kann anschaulich beispielsweise als ein programmierter oder trainierter Zustand des elektronischen Bauelements verstanden werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das elektronische Bauelement in einen von mehreren zweiten Zuständen gebracht werden.
Der hierin verwendete Begriff „Plastizität“ kann beispielsweise als eine Eigenschaft (beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit) der elektrischen Verbindung des elektronischen Bauelements verstanden werden. Diese kann durch Stimulation, beispielsweise mittels eines elektrischen Signals, entsprechend der Stimulation verändert und angepasst werden. Die Plastizität kann anschaulich somit als eine Grundvoraussetzung für ein Programmieren des elektronischen Bauelements verstanden werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Stimulation des Netzwerkes mittels eines elektrischen Signals erfolgen, so dass sich die physikalischen Eigenschaften der elektrischen Verbindung zwischen mindestens einer Eingabe-Elektrode und mindestens einer Ausgabe-Elektrode verändern, beispielsweise indem sie verzweigter, dicker und/oder mehr gewachsen werden. Somit können sich die elektrischen Eigenschaften der elektrischen Verbindung verändern. Beispielsweise kann sich die elektrische Leitfähigkeit der elektrischen Verbindung aufgrund einer elektrischen Stimulation erhöhen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften der elektrischen Verbindung auch durch abwesende Stimulation möglich sein, beispielsweise mittels abwesendem elektrischen Signal, wobei die elektrische Verbindung sich beispielsweise zurückentwickeln kann. Dies kann beispielsweise aufgrund eines Abbaus und/oder eines Entflechtens des elektrisch leitenden Polymers, aus dem die elektrische Verbindung besteht, erfolgen. Somit können sich beispielsweise die elektrischen Eigenschaften der elektrischen Verbindung ebenfalls zeitlich verändern. Beispielsweise kann sich die elektrische Leitfähigkeit der elektrischen Verbindung mit der Zeit reduzieren. Der hierin verwendete Begriff „Kurzzeitplastizität“ kann derart verstanden werden, dass die Größenordnung der Zeit, in der die Plastizität sich selbst verändern kann oder mittels Stimulation verändert werden kann, berücksichtigt ist. Gleiches gilt für den hierin verwendeten Begriff „Langzeitplastizität“. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Größenordnung der zeit, die mit der Kurzzeitplastizität verbunden wird, geringer sein als die Größenordnung der Zeit, die mit der Langzeitplastizität verbunden wird. Die Zeit, die mit der Kurzzeitplastizität verbunden wird, kann beispielsweise geringer sein als 1 h, z.B. geringer als 1 min, z.B. geringer als 1 s. Die Zeit, die mit der Langzeitplastizität verbunden wird, kann beispielsweise größer sein als 1 h, z.B. größer als 10 h, z.B. größer als 24 h. FIG.1 A und FIG.1 B veranschaulichen ein elektronisches Bauelement 100 in zwei voneinander verschiedenen Betriebszuständen 100a, 100b in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. FIG.2A und FIG.2B veranschaulichen ein elektronisches Bauelement 100 in einer schematischen Aufsicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das elektronische Bauelement 100 ein Substrat 102 aufweisen. Das elektronische Bauelement 100 bzw. das Substrat 102 des elektronischen Bauelements 100 kann eine Vielzahl von Eingabe-Elektroden 104 und eine Vielzahl von Ausgabe- Elektroden 106 aufweisen. Die Eingabe-Elektroden 106 bzw. 106-1, 106-2, 106-3, 106-4, 106-n bzw. Ausgabe-Elektroden 104 bzw. 104-1, 104-2, 104-3, 104-4, 104-m (n, m als ganze natürliche Zahlen) sind jeweils auf und/oder in dem Substrat 102 in einem Abstand voneinander angeordnet.
Das Substrat 102 kann beispielsweise ein nichtleitendes Substrat 102 sein. Das Substrat 102 kann beispielsweise einen elektrisch halbleitenden oder elektrisch leitenden Abschnitt aufweisen, wobei dieser dann mittels mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht von den Eingabe-Elektroden 106 und den Ausgabe-Elektroden 104 elektrisch isoliert sein kann.
Ein elektrisch leitfähiges Netzwerk 110 aus einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Polymeren bzw. Polymer-Fasern ist eingerichtet, die Vielzahl von Eingabe-Elektroden 106 mit der Vielzahl von Ausgabe-Elektroden 104 elektrisch zu vernetzen. Die elektrisch leitfähigen Polymer(-Fasern) können zumindest zum Teil miteinander verbunden sein und/oder voneinander beabstandet sein. Beabstandete elektrisch leitfähige Polymere können voneinander elektrisch isoliert sein oder, alternativ, mittels elektrischer Felder aufeinander einwirken (beispielsweise als Gate-Struktur fungieren). Mittels der Gate-Wirkung der Polymer-Fasern aufeinander kann eine nicht-lineare Ausgabe realisiert werden, wie in FIG.3 veranschaulicht ist.
Alternativ oder zusätzlich kann eine oder mehrere Gate-Elektroden vorgesehen sein, beispielsweise in dem Elektrolytmaterial 108 und von dem elektrisch leitfähigen Netzwerk 110 beabstandet. Mittels der ein oder mehreren Gate-Elektrode kann eine nichtlineare Antwort/Ausgabe auf ein an den Eingabe-Elektroden angelegtes Signal an den Ausgabe-Elektroden erzeugt werden. Eine Gate- Elektrode kann den Stromfluss in einer elektrisch leitfähigen Polymer-Faser bzw. in dem elektrisch leitfähigen Netzwerk 110 auf nichtlineare Weise beeinflussen. Auf ähnliche Weise können benachbarte Polymer-Fasern des elektrisch leitfähigen Netzwerks 110 sich auf nichtlineare Weise beeinflussen, beispielsweise wenn die Polymer-Fasern mit Signalen unterschiedlicher Spannung versorgt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein leitfähiges Substrat (z.B. ein Substrat mit lonen- Leitfähigkeit) die Rolle eines Elektrolytmaterials übernehmen oder zum Teil mit übernehmen. Ferner kann beispielsweise optional eine elektrische Isolierung (z.B. eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material) auf oder über dem leitfähigen Substrat 102 vorgesehen sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Elektrolyt bzw. Elektrolytmaterial, dass das elektrisch leitfähige Netzwerk 110 umgibt und die nichtlineare Leitfähigkeit bewirkt (FIG.3) eine Flüssigkeit, ein Gel, ein Harz oder ein festes Elektrolyt sein, beispielsweise ein Elektrolytmaterial 108, die/das zumindest teilweise im Raum zwischen der Vielzahl von Eingabe-Elektroden 106 und der Vielzahl von Ausgabe-Elektroden 104 angeordnet ist, wobei eine oder mehrere elektrisch leitfähige Polymer-Faser zumindest teilweise in der Flüssigkeit, dem Gel bzw. dem Harz angeordnet sind.
Anschaulich ist eine beliebige Anzahl bzw. Vielzahl von Eingabe-Elektroden 106 mit einer beliebigen Anzahl bzw. Vielzahl von Ausgabe-Elektroden 104 miteinander durch das elektrisch leitende Netzwerk 110 elektrisch leitend verbunden. Das elektrisch leitende Netzwerk 110 ist aus elektrisch leitendem organischem Material, beispielsweise einem elektrisch leitendem Polymer (einer Vielzahl von Polymermolekülen bzw. Polymer-Fasern) gebildet. Das Netzwerk 110 kann willkürlich bzw. zufällig ausgebildet sein oder gemäß einer vorgegebenen Struktur eingerichtet sein.
Wenn das elektronische Bauelement 100 in einem zweiten Betriebszustand ist, siehe beispielsweise FIG.1 B, kann mindestens eine elektrische Verbindung zwischen den Eingabe-Elektroden 106 und Ausgabe-Elektroden 104 hergestellt sein. Die mindestens eine elektrische Verbindung kann beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Polymer aufweisen oder daraus gebildet sein. Das elektrisch leitfähige Polymer kann mittels Polymerisierens des polymerisierbaren Materials gebildet sein oder werden.
Das elektronische Bauelement 100 kann somit, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, neuromorphe Eigenschaften aufweisen. Neuromorphe Eigenschaften können beispielsweise auf dem Bilden der elektrischen Verbindung zwischen den Eingabe-Elektroden 104 und den Ausgabe- Elektroden 106 (analog zu der neuronalen Synaptogenese) basieren, sowie auf einer mittels eines an die Eingabe-Elektroden 104 und die Ausgabe-Elektroden 106 des elektrischen Bauelements 100 angelegten elektrischen Signals veränderbaren Plastizität der mindestens einen elektrischen Verbindung (anschaulich analog zu der neuronalen Plastizität). Das elektronische Bauelement 100 kann somit beispielsweise als ein neuromorpher Chip und/oder synaptische Verbindung in sogenannten Hirn-Computer-Schnittstellen (Brain-Computer-Interface) ausgestaltet sein oder werden.
Das Signal, das im Betrieb an die Eingabe-Elektroden 106 angelegt wird, kann ein zeitabhängiges elektrisches Signal sein. Das Netzwerk 110 kann eingerichtet sein, das eingegebene Signal (in Abhängigkeit von dessen Spannung bzw. Stromstärke) auf nichtlineare Weise zu transformieren bzw. umzuwandeln, wie in dem Leitfähigkeitsdiagramm 300 in FIG.3 veranschaulicht ist. An den Ausgabe-Elektroden 104 kann das elektrische Potential erfasst werden. Das an den Ausgabe- Elektroden 104 erfasste Signal kann für ein Maschinenlernen verwendet werden. Das Maschinenlernen kann beispielsweise ein als Reservoir Computing, Echo State Network oder Liquid State Machine bezeichnetes Maschinenlern-Verfahren sein.
Polymermoleküle bzw. Polymer-Fasern, die eine Eingabe-Elektrode 106 direkt mit einer Ausgabe- Elektrode 104 verbinden, können im Betrieb des elektronischen Bauelementes 100 einen elektrischen Strom transportieren bzw. weiterleiten. Der elektrische Widerstand der einzelnen Polymer-Fasern ist linear und proportional zur Potentialdifferenz zwischen der Eingabe-Elektrode und Ausgabe-Elektrode.
Weiterhin kann es Polymer-Fasern 202 geben, die Abzweigungen 202 von anderen Polymer-Fasern sind und keine der Ausgabe-Elektroden direkt kontaktieren, wie in FIG.2B veranschaulicht ist. Diese Polymer-Fasern 202, können durch das an den Eingabe-Elektroden 106 eingegebene Signal elektrisch geladen werden. Die elektrische Ladung der Abzweigungen 202 kann die lonen-Verteilung bzw. Ladungsträgerverteilung in der Flüssigkeit 108 bzw. in benachbarten Polymer-Fasern verändern. Dadurch kann die elektrische Leitfähigkeit in den benachbarten Polymer-Fasern auf nichtlineare Weise verändert werden, wie in dem Leitfähigkeitsdiagramm 300 in FIG.3 veranschaulicht ist. Die Abzweigungen 202 können anschaulich als (Feldeffekt-)Gate für die benachbarten Polymer-Fasern wirken. In den Abzweigung 202 ist die Nichtlinearität stark ausgeprägt. Die Nichtlinearität der Leitfähigkeit kann proportional zur durchschnittlichen Anzahl und Länge der Abzweigungen 202 je Polymer-Faser sein.
Mit anderen Worten: Das elektrisch leitfähige Netzwerk 110 ist derart eingerichtet, dass mindestens eine Eingabe-Elektrode der Vielzahl von Eingabe-Elektroden eine elektrische Verbindung 110 mit mindestens einer ersten Ausgabe-Elektrode und einer zweiten Ausgabe-Elektrode der Vielzahl von Ausgabe-Elektroden aufweist bzw. elektrisch leitfähig verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich ist eine elektrische Verbindung 110 zwischen mindestens einer ersten Eingabe-Elektrode bzw. einer zweiten Eingabe-Elektrode der Vielzahl von Eingabe-Elektroden mit mindestens einer Ausgabe- Elektrode der Vielzahl von Ausgabe-Elektroden ausgebildet.
Die eine oder mehreren elektrisch leitfähigen Polymer-Fasern können in einem Abstand über dem Substrat 102 angeordnet sein. Als Beispiel, die eine oder mehreren elektrisch leitfähigen Polymer- Fasern sind zumindest in einem Abschnitt vollumfänglich frei von einem körperlichen Kontakt mit dem Substrat 102.
Zumindest ein elektrisch leitfähiges Polymer bzw. eine Polymer-Faser des elektrisch leitfähigen Netzwerks 110, das/die eine Eingabe-Elektrode 106 mit einer Ausgabe-Elektrode 104 verbindet, kann mindestens eine Abzweigung bzw. Abzweigung 202 aufweisen, deren Ende 202 mit keiner der Ausgabe-Elektroden 104 elektrisch verbunden ist (wie in FIG.2B veranschaulicht ist).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann jede der Eingabe-Elektroden 106 und Ausgabe- Elektroden 104 abschnittsweise von dem Elektrolytmaterial 108 elektrisch isoliert sein. Beispielsweise können ein oder mehrere Bereiche der jeweiligen Elektrode 104, 106 mittels einer elektrisch isolierenden Schicht 107 von dem Elektrolytmaterial 108 elektrisch getrennt sein. Die elektrisch isolierenden Schicht 107 kann beispielsweise auf dem jeweiligen Bereich der Elektrode 104, 106 aufgebracht sein oder werden, der elektrisch von dem Elektrolytmaterial 108 isoliert sein soll. Somit kann beispielsweise mindestens ein aktiver Abschnitt der jeweiligen Eingabe-Elektrode 104 bzw. Ausgabe-Elektrode 106 definiert werden, von dem aus das Bilden der elektrischen Verbindung startet oder zu dem die elektrische Verbindung hin wachsen kann.
Im Folgenden werden einige Detailaspekte mit Bezug auf das elektronische Bauelement 100 beschrieben. Es versteht sich, dass diese Detailaspekte nur beispielhafte Ausgestaltungen betreffen und dass das elektronische Bauelement 100 auch in anderen geeigneten Weisen ausgestaltet sein kann.
Beispielsweise kann das Substrat 102 eine Stahlfolie, Stahlblech, einen Kunststoffwafer, eine Kunststofffolie, oder ein Laminat mit einer oder mit mehreren Kunststofffolien aufweisen oder daraus gebildet sein. Der Kunststoff kann ein oder mehrere Polyolefine (beispielsweise Polyethylen (PE) mit hoher oder niedriger Dichte oder Polypropylen (PP)) aufweisen oder daraus gebildet sein. Ferner kann der Kunststoff Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS), Polyester und/oder Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethersulfon (PES), Polyetheretherketon (PEEK), Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder Polyethylennaphthalat (PEN) aufweisen oder daraus gebildet sein. Das Substrat 102 kann eines oder mehrere der oben genannten Materialien aufweisen.
Das Substrat kann, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, natürliche Polymere aufweisen oder daraus bestehen, z.B. Cellulose, Kollagen, Polylactatsäure, Gelatine. Diese natürlichen Polymere oder andere Materialien können beispielsweise als ionenleitendes Material fungieren.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Elektrolytmaterial von einem Material des Substrats bereitgestellt sein. Auf und/oder in dem Substrat 102 können die Eingabe-Elektroden 104 und die Ausgabe-Elektroden 106 ausgebildet sein. Die Eingabe-Elektroden 106 und Ausgabe-Elektroden 104 können beispielsweise im Wesentlichen in der gleichen Ebene auf und/oder in dem Substrat 102 angeordnet sein. In einigen Ausgestaltungen kann das Substrat 102 eine im Wesentlichen planare Oberfläche 102s aufweisen, und die Eingabe-Elektroden 106 und die Ausgabe-Elektroden 104 können direkt auf der planare Oberfläche 102s aufgebracht sein oder werden. Alternativ dazu können die Eingabe- Elektroden 106 und die Ausgabe-Elektroden 104 in unterschiedlichen Ebenen auf und/oder in dem Substrat 102 angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Eingabe-Elektroden 106 und die Ausgabe- Elektroden 104 einen Abstand von weniger als 200 mhi voneinander aufweisen, z.B. weniger als
150 mhi, weniger als 100 mhi, weniger als 50 mhi, weniger als 20 mhi oder weniger als 5 mhi.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Vielzahl der Eingabe-Elektroden 106 und/oder Ausgabe-Elektroden 104 (z.B. mehr als 25 oder mehr als 100 Elektroden) derart bereitgestellt sein, dass die Elektroden in Form eines Gitters angeordnet sind. Das Gitter kann beispielsweise 2- dimensional oder 3-dimensional sein. Die jeweils benachbarten Eingabe-Elektroden bzw. Ausgabe- Elektroden können im Wesentlichen den gleichen Abstand voneinander aufweisen. Das Gitter kann anschaulich beispielsweise ein quadratisches oder kubisches Gitter sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Wachstum der elektrisch leitenden Polymerverbindungen innerhalb einer Struktur erfolgen, die 3-dimensional porös ist.
Die Eingabe-Elektroden 106 und die Ausgabe-Elektroden 104 können beispielsweise ein Metall oder eine Metalllegierung aufweisen oder daraus bestehen. Beispielsweise können die Eingabe- Elektroden 106 und die Ausgabe-Elektroden 104 Aluminium, Kupfer, Gold, Platin, Silber aufweisen oder daraus bestehen. Auch können die Eingabe-Elektroden 106 und die Ausgabe-Elektroden 104 beispielsweise Silberchlorid, Platin, Iridium, Palladium, Nickel, Molybdän, Tantal, Wolfram, etc. aufweisen oder daraus bestehen. Auch können die Eingabe-Elektroden 106 und die Ausgabe- Elektroden 104 Kohlenstoff oder ein hochleitfähiges Polymer (z.B. PEDOT:PSS) aufweisen oder daraus bestehen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Elektrolytmaterial 108 ein Flüssigelektrolyt, beispielsweise eine ionische Flüssigkeit, ein Carbonat-basiertes Elektrolyt, und/oder ein Polymerelektrolyt, auch lonomer genannt, aufweisen oder daraus bestehen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Elektrolytmaterial 108 in einer Lösung eingetauchte poröse Medien, beispielsweise ein ionisches poröses Polymer und/oder einen porösen Elektrolytfeststoff, aufweisen oder daraus bestehen.
Weiterhin weist das Elektrolytmaterial 108 bewegliche Ionen auf. Die Ionen können beispielsweise Perchlorat-Ionen oder andere geeignete Ionen sein. Dabei kann das Elektrolytmaterial 108 Lithiumperchlorat, Tetrabutylammoniumperchlorat oder andere geeignete Materialien, wie beispielsweise Natriumchlorid, Natriumbromid, Kaliumchlorid, Kupfer(ll)-chlorid, Kupfersulfat, Natriumiodid, etc., aufweisen. Das Elektrolytmaterial 108 kann beispielsweise zumindest während des Verfahrens zum Herstellen des elektronischen Bauelementes 100 in einem Raumbereich 105 zwischen den Eingabe-Elektroden 106 und Ausgabe-Elektroden 104 angeordnet sein. Dabei können die Eingabe-Elektroden 106 und die Ausgabe-Elektroden 104 wenigstens teilweise im körperlichen Kontakt mit dem Elektrolytmaterial 108 sein.
Das Elektrolytmaterial 108 kann, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, ein polymerisierbares Polymer aufweisen. Dabei kann das polymerisierbare Material ein Monomer eines intrinsisch elektrisch leitfähigen Polymers sein. Das Monomer kann beispielsweise mittels Polymerisierens zu einem elektrisch leitfähigen Polymer umgewandelt werden. Das Monomer kann beispielsweise 3,4- Ethylenedioxythiophen aufweisen oder sein. Das intrinsisch leitfähige Polymer kann in diesem Fall
Poly(3,4-ethylenedioxythiophen) aufweisen oder sein.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann das polymerisierbare Material ein Monomer eines dotierten Polymers sein. Das Monomer kann in diesem Fall mittels Polymerisierens zu einem dotierten Polymer umgewandelt werden.
Wie FIG.6A-FIG.6C veranschaulicht ist, kann das elektronische Bauelement 100 eine Steuervorrichtung 112 aufweisen. Die Steuervorrichtung 112 kann mit der Eingabe-Elektrode 106 und der freibeweglichen Elektrode 120 zum Bereitstellen eines elektrischen Signals zu den Eingabe- Elektroden 106 und Ausgabe-Elektroden 104 gekoppelt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuervorrichtung 112 derart eingerichtet sein, dass das elektronische Bauelement 100 mittels des bereitgestellten elektrischen Signals 112s von dem ersten Betriebszustand 100a in den zweiten Betriebszustand 100b gebracht werden kann. Dies kann mittels Polymerisierens des mindestens einen polymerisierbaren Materials zu dem elektrisch leitfähigen Polymer erfolgen. Dabei kann das bereitgestellte elektrische Signal 112s beispielsweise eine Amplitude in einem Bereich von ungefähr 20 mV bis ungefähr 5 V aufweisen, z.B. in einem Bereich von ungefähr 50 mV bis ungefähr 2 V.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das bereitgestellte elektrische Signal 112s eine mit der Zeit veränderliche elektrische Spannung aufweisen, beispielsweise eine Wechselspannung, eine gepulste Gleichspannung, und/oder eine gepulste Bipolarspannung.
Die Steuervorrichtung 112 kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass die mit der zeit veränderliche elektrische Spannung eine Frequenz in einem Bereich von ungefähr 10 Hz bis ungefähr 10 kHz aufweist, z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 Hz bis ungefähr 5 kHz, z.B. in einem Bereich von ungefähr 2 Hz bis ungefähr 2 KHz. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuervorrichtung 112 derart eingerichtet sein, dass die mit der Zeit veränderliche elektrische Spannung eine periodische elektrische Spannung ist mit einer Periodendauer in einem Bereich von ungefähr 0,01 ms bis ungefähr 0,1 s aufweist, z.B. in einem Bereich von ungefähr 0,5 ms bis ungefähr 50 ms. Die Steuervorrichtung 112 kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass die mit der Zeit veränderliche elektrische Spannung eine Einschaltdauer (auch als Anzeit bezeichnet) in einem Bereich von ungefähr 10 % bis ungefähr 50 % aufweist z.B. in einem Bereich von ungefähr 20 % bis ungefähr 40 %. Die Steuervorrichtung 112 kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass die mit der Zeit veränderliche elektrische Spannung eine Bandbreite in einem Bereich von ungefähr 10 Hz bis ungefähr 10kHz aufweist, z.B. in einem Bereich von ungefähr 5 Hz bis ungefähr 5 kHz, in einem Bereich von ungefähr 2 Hz bis ungefähr 2 kHz. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Polymerisieren des mindestens einen polymerisierbaren Materials nur erfolgen, wenn die angelegte elektrische Spannung über einer elektrischen Schwellenspannung liegt. Somit können die Monomere beispielsweise oxidieren und die für die chemische Reaktion notwendigen bzw. hilfreichen Radikalkationen können gebildet werden. Die elektrische Schwellenspannung kann von der Ausgestaltung der Eingabe-Elektroden 106 und Ausgabe-Elektroden 104 abhängig sein. Beispielsweise kann die elektrische Schwellenspannung eine Funktion des zwischen den Eingabe-Elektroden 104 und den Ausgabe-Elektroden 106 vorhandenen Abstandes, und/oder eine Funktion der Eigenschaften des bereitgestellten elektrischen Signals, beispielsweise eine Funktion der Pulsfrequenz, sein. Als Beispiel, wenn die Elektroden 200 mhi voneinander beabstandet sind und die Pulsfrequenz in einem Bereich von ungefähr 10 Hz bis ungefähr 10kHz liegt, kann die elektrische Schwellenspannung in einem Bereich von ungefähr 20 mV bis ungefähr 5 V liegen.
Wie in FIG.1A beispielhaft veranschaulicht ist, kann das Elektrolytmaterial 108 in dem ersten Betriebszustand 100a im Wesentlichen frei von der elektrischen Verbindung aus dem elektrisch leitfähigen Polymer sein. Beispielsweise kann das elektronische Bauelement 100 frei von einer durchgehenden Polymerstruktur sein, die die Eingabe-Elektroden 106 mit den Ausgabe-Elektrode 104 elektrisch leitend und körperlich verbindet. Der erste Betriebszustand 100a des elektronischen Bauelements 100 kann anschaulich ein unprogrammierter Zustand des elektronischen Bauelements 100 sein. Dabei kann das polymerisierbare Material in dem Elektrolytmaterial 108 im Wesentlichen in
Form von Monomeren vorliegen. Das Elektrolytmaterial 108 kann auch Polymere aus dem polymerisierbaren Material aufweisen, wobei die Polymeren in dem Elektrolytmaterial 108 in löslicher und/oder unlöslicher Form enthalten sein können, aber nicht die Eingabe-Elektroden 106 und die Ausgabe-Elektroden 104 miteinander verbinden.
Wie in FIG.1 B beispielhaft veranschaulicht ist, kann das elektronische Bauelement 100 in dem zweiten Betriebszustand 100b mindestens eine elektrische Verbindung aufweisen. Das elektronische Bauelement 100 kann beispielsweise eine Struktur aufweisen, die die Eingabe-Elektrode 106 mit der Ausgabe-Elektrode 104 elektrisch leitend und körperlich verbindet. Der zweite Betriebszustand des elektronischen Bauelements 100 kann anschaulich ein programmierter Zustand des elektronischen
Bauelements 100 sein. Dabei weist das Elektrolytmaterial 108 das elektrisch leitende Polymer auf, welches die elektrische Verbindung bilden kann. Die elektrische Verbindung ist in dem Elektrolytmaterial 108 wenigstens teilweise unlöslich und ist beispielsweise im Wesentlichen von dem Elektrolytmaterial 108 umgeben. Die elektrische Verbindung kann mittels Elektropolymerisierens, z.B. mittels eines feld-gerichteten Polymerisierens des mindestens einen polymerisierbaren Materials des Elektrolytmaterials 108 zu dem elektrisch leitenden Polymer gebildet sein oder werden. Auch in dem zweiten Betriebszustand kann das Elektrolytmaterial 108 weiterhin das polymerisierbare Material sowie von dem elektrisch leitenden Polymer unterschiedlichen Polymere aus dem polymerisierbaren Material aufweisen, wobei die unterschiedlichen Polymere in dem Elektrolytmaterial 108 in löslicher und/oder unlöslicher Form enthalten sein können. Anschaulich kann die mindestens eine elektrische Verbindung aus einem Anteil von der Gesamtmenge an polymerisierbares Material gebildet sein oder werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das elektrisch leitfähige Polymer ein oder mehrere Faserstrukturen aufweisen oder daraus bestehen. Dabei kann die eine bzw. können die mehreren Faserstrukturen beispielsweise netzförmig bzw. zumindest einfach oder mehrfach verzweigt sein.
Die eine Faserstruktur kann beispielsweise einen Strang oder mehrere Stränge aufweisen, wobei sich der eine oder die mehreren Stränge von den Eingabe-Elektroden 106 bis zu den Ausgabe- Elektroden 104 erstrecken. Anschaulich ist das elektrisch leitfähige Polymer der elektrisch leitenden Verbindung einer Eingabe-Elektrode 106 mit einer Ausgabe-Elektrode 104 eine Polymer-Faser (auch bezeichnet als polymere Faserstruktur oder elektrisch leitfähige Faserstruktur). Eine Polymer- Faser ist beispielsweise in FIG.1 B veranschaulicht. Das elektrisch leitfähige Netzwerk aus einer Vielzahl von Faserstrukturen ist in FIG.2A und FIG.2B veranschaulicht. Eine einzelne Faserstruktur weist üblicherweise einen mittleren Durchmesser in einem Bereich von ungefähr 1 mhi bis ungefähr 50 mhi auf, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 3 mhi bis ungefähr 10 mhi. Eine Polymer- Faser ist im Vergleich zu einem verzweigten Polymer-Netzwerk, das anschaulich eine schwammartige Struktur mit in sich verschlungenen oder verschlauften Polymerverbindungen im nm-Bereich aufweist, im Wesentlichen eine geradlinige elektrische Verbindung von einer Eingabe- Elektrode 106 mit einer Ausgabe-Elektrode 104. Die Polymer-Fasern sind anschaulich somit dicker als Polymerverbindungen in einer Polymerbeschichtung und weisen eine höhere Direktionalität (keine oder weniger Verzweigungen und Verschlaufungen) auf.
Die physikalischen Eigenschaften (z.B. die elektrische Leitfähigkeit) der mindestens einen Verbindung können beispielsweise definiert sein von der Länge und/oder der Dicke der einen oder mehreren Faserstrukturen der mindestens einen elektrischen Verbindung, der Anzahl an Faserstrukturen, der Grad der Abzweigung der einen oder mehreren Faserstrukturen und/oder die Direktionalität der einen oder mehreren Faserstrukturen. Unter dem Begriff „Direktionalität“ wird verstanden, in welche Richtung sich die ein oder mehreren Faserstrukturen in dem Elektrolytmaterial 108 erstrecken und ob die ein oder mehreren Faserstrukturen im Wesentlichen aus einer der Eingabe-Elektroden 106 und Ausgabe-Elektroden 104 gewachsen werden, wie in FIG.6A-FIG.6C veranschaulicht ist.
Dabei kann die Steuervorrichtung 112 eingerichtet sein, eine elektrische Spannung zwischen einer oder mehreren Eingabe-Elektroden 106 und der freibeweglichen Elektrode 120 (siehe FIG.6A- FIG.6C) derart bereitzustellen, dass mittels der elektrischen Spannung das elektrisch leitfähige Polymer der mindestens einen elektrischen Verbindung aus dem mindestens einen polymerisierbaren Material des Elektrolytmaterials 108 gebildet wird. Anschaulich kann das Polymerisieren des mindestens einen polymerisierbaren Materials des Elektrolytmaterials 108 derart erfolgen, dass das elektronische Bauelement 100 in den zweiten Betriebszustand 100b gebracht wird. Weiterhin kann das von der Steuervorrichtung 112 bereitgestellte elektrische Signal 112s die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der mindestens einen elektrischen Verbindung beeinflussen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das elektrisch leifähige Polymer zumindest abschnittsweise frei von einem körperlichen Kontakt mit dem Substrat 102 sein. Die mindestens eine elektrische Verbindung kann beispielsweise vollumfänglich von Elektrolytmaterial 108 umgeben sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Elektrolytmaterial 108 bewegliche Ionen zum Bereitstellen einer Kurzzeitplastizität der mindestens einen elektrischen Verbindung aufweisen.
Dabei können die beweglichen Ionen beispielsweise in das elektrisch leitende Polymer eindringen derart, dass die elektrische Verbindung dotiert wird. Alternativ dazu können sich die Ionen beispielsweise an dem elektrisch leitenden Polymer anlagern derart, dass die elektrische Verbindung beeinflusst wird. Dies ermöglicht beispielsweise eine Veränderung der physikalischen und/oder der elektrischen Eigenschaften der mindestens einen elektrischen Verbindung.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Elektrolytmaterial 108 beispielsweise derart eingerichtet sein, dass das elektronische Bauelement 100 mittels des bereitgestellten elektrischen Signals 112s der Steuervorrichtung 112 von dem zweiten Betriebszustand 100b in den ersten Betriebszustand 100a oder in einem anderen weiteren Zustand gebracht werden kann. Das Elektrolytmaterial 108 kann in diesem Fall beispielsweise ein Material aufweisen, beispielsweise ein Enzym und/oder eine chemische Verbindung, das geeignet ist, die elektrische Verbindung mittels des bereitgestellten elektrischen Signals der Steuervorrichtung 112 mindestens teilweise abzubauen. In verschiedenen Ausführungsformen weist das elektronische Bauelement 100 einen
Rückkopplungskanal 400 auf. Der Rückkopplungskanal 400 ist eigerichtet, zumindest eine Ausgabe- Elektrode mit einer Eingabe-Elektrode elektrisch leitend zu verbinden, wie in FIG.4 veranschaulicht ist. Mittels des Rückkopplungskanals 400 kann ein rekurrentes neuronales Netzwerk (engl recurrent neural network) realisiert werden, beispielsweise für sogenanntes reservoir computing oder für sogenannte spiking neural networks
In verschiedenen Ausführungsformen weist ein künstliches neuronales Netzwerk ein oder mehrere elektronische Bauelemente 100 auf. Das künstliche neuronale Netzwerk kann zum Ausführen mindestens einer Rechenfunktion mittels des einen elektronischen Bauelementes 100 bzw. mittels der mehreren elektronischen Bauelemente 100 eingerichtet sein.
FIG.5 veranschaulicht ein schematisches Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Herstellen eines elektronischen Bauelements, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. In verschiedenen Ausführungsformen weist ein Verfahren zum Herstellen 500 eines elektronischen Bauelements ein Bereitstellen 510 eines Elektrolytmaterials 108 zumindest in einem Raumbereich zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode auf, wobei die erste Elektrode auf und/oder in einem Substrat 102 und die zweite Elektrode freibeweglich in dem Elektrolytmaterial angeordnet ist. Die zweite Elektrode kann in einem Abstand zu der ersten Elektrode und dem Substrat angeordnet sein. Das Elektrolytmaterial 108 kann mindestens ein polymerisierbares Material aufweisen. Das Verfahren 500 kann ferner ein Bilden 520 mindestens einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode mittels Polymerisierens des mindestens einen polymerisierbaren Materials zu einem elektrisch leitfähigen Polymer aufweisen.
Das gebildete Polymer kann die zweite Elektrode 120 dabei berühren. Wenn die zweite Elektrode 120 dann in dem Elektrolytmaterial 108 bewegt wird, reißt das Polymer von der zweiten Elektrode 120 ab. Alternativ kann die zweite Elektrode 120 bewegt werden bevor das gebildete Polymer die zweite Elektrode 120 erreicht hat.
Es versteht sich, dass das Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauelements ein oder mehrere Funktionen aufweisen kann, die hierin mit Bezug auf das elektronische Bauelement oder einen Teil des elektronischen Bauelements (beispielsweise der Steuervorrichtung) beschrieben sind und vice versa.
Das Verfahren zum Herstellen 500 des elektronischen Bauelements ermöglicht beispielsweise ein wiederholtes Programmieren des elektronischen Bauelements mit unterschiedlichen neuromorphen Eigenschaften. Das Verfahren 500 kann ferner ein Bewegen der zweiten Elektrode in dem Elektrolytmaterial aufweisen, so dass der Abstand zu der ersten Elektrode vergrößert wird, wobei die räumliche Ausdehnung des elektrisch leitfähigen Polymers vergrößert wird. Die räumliche Ausdehnung wird vergrößert, indem das Polymerwachstum bzw. die Wachstumsrichtung des Polymers der Bewegungsrichtung der zweiten Elektrode 120 folgt.
Das Verfahren 500 kann ferner ein Bewegen der zweiten Elektrode zu einer dritten Elektrode, die auf und/oder in einem Substrat 102 und in einem Abstand zu der ersten Elektrode angeordnet ist, aufweisen. Die zweite Elektrode kann die dritte Elektrode derart elektrisch kontaktieren, dass das elektrisch leitfähige Polymer eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode ausbildet. Die zweite Elektrode kann die dritte Elektrode außerhalb des
Elektrolytmaterials kontaktieren. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Elektrode die dritte Elektrode außerhalb des Elektrolytmaterials kontaktieren. Das Bilden 520 der mindestens einen elektrischen Verbindung kann mittels Anlegens eines elektrischen Signals zwischen zumindest den Ausgabe-Elektroden 104 und den Eingabe-Elektroden 106 erfolgen.
Das Bilden 520 der mindestens einen elektrischen Verbindung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode kann ein Bilden einer einzigen Faserstruktur mittels Polymerisierens des mindestens einen polymerisierbaren Materials aufweisen. Die Faserstruktur kann einen körperlichen Kontakt zu der ersten Elektrode aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Elektrolytmaterial 108 eine erste Leitfähigkeit aufweisen und die mindestens eine elektrische Verbindung kann eine zweite Leitfähigkeit aufweisen, wobei die erste elektrische Leitfähigkeit beispielsweise kleiner sein kann als die zweite elektrische Leitfähigkeit.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren 500 ferner ein Depolymerisieren und/oder ein Entflechten des elektrisch leitfähigen Polymers zu einem depolymerisierten und/oder entflochtenen polymerisierbaren Material mittels Energiezufuhr aufweisen. Dabei kann die Energiezufuhr mittels Zuführens von thermischer Energie und/oder mittels Zuführens von elektromagnetischer Strahlung erfolgen. Ein Entflechten des elektrisch leitfähigen Polymers (auch als engl.: „disentanglement“ bezeichnet) kann beispielsweise so verstanden werden, dass sich eine Faser, die aus mehreren verwobenen Polymerketten besteht, entflechtet, was anschaulich als eine Art Glasübergang bei Polymeren verstanden werden kann. FIG.6A, FIG.6B und FIG.6C zeigen ein elektronisches Bauelement 100 in einer schematischen
Ansicht während dessen Herstellung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das elektronische Bauelement 100 zusätzlich zu den Ausgabe-Elektroden 104 und den Eingabe-Elektroden 106 ferner mindestens eine weitere Elektrode 120 (auch als freibewegliche Elektrode oder zweite Elektrode bezeichnet) aufweisen.
Das elektrisch leitende Netzwerk 110 kann ausgebildet werden mittels Anlegens eines Wechselstromsignal über eine der Eingabe-Elektrode 106 (auch als erste Elektrode bezeichnet) oder der Ausgabe-Elektrode 104 (auch als dritte Elektrode bezeichnet) und einer freibeweglichen Elektrode 120 (auch als zweite Elektrode bezeichnet), wie in FIG.6A, FIG.6B und FIG.6C veranschaulicht ist. Die Elektroden 106, 104, 120 sind dabei von einem Elektrolytmaterial 108 umgeben, dass ein durch das Wechselstromsignal polymerisierbares Material enthält. Das polymerisierbare Material ist im polymerisierten Zustand elektrisch leitfähig. Das polymerisierbare Material ist beispielsweise ein Monomer, beispielsweise 3,4-Ethylenedioxythiophene (EDOT), und das daraus gebildete elektrisch leitende Polymer beispielsweise Poly-3,4-Ethylenedioxythiophene (PEDOT). Die freibewegliche zweite Elektrode 120 wird in dem Elektrolytmaterial, während das
Wechselstromsignal über die erste und zweite Elektrode 106, 120 angelegt ist, von der ersten Elektrode 106 zu der dritten Elektrode 104 geführt (in FIG.6A-6C veranschaulicht), um die elektrische Verbindung durch das elektrisch leitfähige Polymer auszubilden. Das Wechselstromsignal ist eingerichtet, beispielsweise hinsichtlich der angelegten Spannung, das Monomer (beispielsweise EDOT) zu oxidieren und die Polymerisation zwischen der ersten und zweiten Elektrode 106, 120 auszulösen bzw. zu triggern. Dadurch wächst das elektrisch leitende Polymer mittels Elektropolymerisation auf oder über der Oberfläche 102s des Substrates 102 in Richtung der freibeweglichen, zweiten Elektrode 120 (siehe FIG.6A, 6B). Mit anderen Worten: die Wachstumsrichtung des wachsenden Polymers folgt der Bewegungsrichtung der zweiten Elektrode in dem Elektrolytmaterial 108.
Um eine durchgehende bzw. zusammenhängende elektrische Verbindung auszubilden, kann die zweite Elektrode 120 die dritte Elektrode 104 kontaktieren oder, alternativ, dicht in deren Nähe positioniert werden, damit sich das elektrisch leitende Polymer mit der dritten Elektrode 104 verbinden kann (siehe FIG.6C). In diesem Fall liegt das Wechselstromsignal mittels der zweiten Elektrode über der ersten Elektrode 106 und der dritten Elektrode 104 an.
Die Form des Netzwerkes 110 kann durch das Bewegungsprofil bzw. die Bewegung der zweiten Elektrode 120 beeinflusst werden. Beispielsweise kann durch eine präzise eingestellte bzw. vorprogrammierte Bewegung der zweiten Elektrode 120 in dem Elektrolytmaterial ein präzise ausgebildetes Netzwerk 110 ausgebildet werden. Alternativ, falls anwendungsspezifisch ein willkürliches Netzwerk 110 erforderlich ist, kann die zweite Elektrode 120 manuell oder automatisch willkürlich durch das Elektrolytmaterial 108 geführt werden. Die zweite Elektrode 120 kann zudem beispielsweise analog zur Form und Ansteuerung der
Messnadel eines Rasterkraftmikroskops eingerichtet sein, beispielsweise hinsichtlich der Anordnung einer Nadel an einer Biegefeder, der Schwingungsdämpfung und Abstandskontrolle zum Substrat. Die zweite Elektrode 120 (beispielsweise der nadelförmige Abschnitt) kann jedoch eine größere räumliche Ausdehnung aufweisen, beispielsweise im Bereich einiger mhi bis mm, als die herkömmliche Messnadel an der Biegefeder für ein Rasterkraftmikroskop.
Das Elektrolytmaterial 108 kann in verschiedenen Ausführungsformen, nach dem das Netzwerk 110 ausgebildet wurde, entfernt werden. Das Netzwerk 110 kann anschaulich somit trocken auf dem Substrat 102 verbleiben. Optional kann eine andere Flüssigkeit, ein Gel oder ein Harz aufgebracht werden, um das Netzwerk zu umschließen. Dadurch kann die elektrische Leitfähigkeit und die mechanische und optische Stabilität (beispielsweise hinsichtlich Elektro- und/oder Fotodegradation) des Netzwerkes 110 eingestellt werden.
Wenn das elektronische Bauelement 100 in einem ersten Betriebszustand 100a ist, siehe beispielsweise FIG.1A, kann ein Elektrolytmaterial 108 zumindest in einem Raumbereich zwischen den Eingabe-Elektroden 106 und Ausgabe-Elektroden 104 angeordnet sein. Das Elektrolytmaterial 108 kann mindestens ein polymerisierbares Material aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Elektrolytmaterial 108 eine Elektrolytlösung aufweisen, und das polymerisierbare Material kann in der Elektrolytlösung gelöst und/oder dispergiert sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Elektrolytmaterial 108 eine Trägerflüssigkeit aufweisen, wobei das Elektrolyt in der Trägerflüssigkeit gelöst und/oder dispergiert sein kann und wobei auch das polymerisierbare Material in der Trägerflüssigkeit gelöst und/oder dispergiert sein kann.
In verschiedenen Ausführungsformen können mehrere freibewegliche Elektroden 102 vorgesehen sein, um mehrere Polymer-Fasern, die jeweils eine Eingabe-Elektrode mit einer Ausgabe-Elektrode verbindet, auszubilden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Bilden der mindestens einen elektrischen Verbindung wie folgt erfolgen:
Es kann beispielsweise eine elektrische Spannung von weniger als 2 V verwendet werden. An ein oder mehrere Elektroden kann ferner eine niedrigere elektrische Spannung (z.B. von -1 V) angelegt werden, um das elektrische Feld und/oder die Salzverteilung in dem Elektrolytmaterial, und somit die
Direktionalität des Polymerisierens, zu kontrollieren. Dies ermöglicht beispielsweise mehrere Verbindungen zu bilden und ihr Wachstum mit externen Stimuli auszulösen.
Das daraus gebildete künstliche neuronale Netzwerk aus einem elektrisch leitfähigen Polymer kann anschaulich beispielsweise der dendritischen Topologie einer Synapse ähneln und das Wachstum kann vergleichbar sein mit einem synaptogenetischen Prozess.
Das Wechselstromsignal (AC) kann in einem Bereich von ungefähr 1 V bis ungefähr 6 V liegen und kann an die mindestens zwei Elektroden angelegt sein oder werden, wobei die mindestens zwei Elektroden mit einer Lösung in Kontakt sind enthaltend:
• Acetonitrile (MeCN),
• 1 mM Natrium-Tetrabutylammonium-Hexafluorophosphat (TBAPF6), und
• 50 mM 3,4-Ethylenedioxythiophen (EDOT). Die Polymerisation kann beispielsweise zu der Bildung von Poly-3,4-Ethylenedioxythiophen (PEDOT) Fasern führen, die mit Hexafluorophosphate PF6- dotiert sind. Die Amplitude des elektrischen Signals kann, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wenig Einfluss auf die Bildung der mindestens einen elektrischen Verbindung haben, sofern genug elektrische Spannung bereitgestellt ist, um die oxidative Polymerisation in PEDOT zu unterstützen.
Allerdings kann die Frequenz des elektrischen Signals einen maßgeblichen Einfluss auf die Bildung der mindestens einen elektrischen Verbindung haben. Es wurde beispielsweise erkannt, dass eine starke Korrelation zwischen Frequenz und Abzweigungsgrad der mindestens einen elektrischen Verbindung 100 besteht, wie beispielsweise in FIG.2 gezeigt ist. Frequenzen von beispielsweise mehr als 200 Hz können zur Bildung höher verzweigter elektrischer Verbindungen führen, wobei eine Erhöhung der Periodendauer der Wechselspannung die Abzweigungen reduzieren und den Querschnitt der mindestens einen elektrischen Verbindung erhöhen kann.
Diese Variationen in den physikalischen und elektrischen Eigenschaften der mindestens einen elektrischen Verbindungen können beispielsweise aus der miteinander verknüpften Bewegungsdynamik der Monomere und der Ionen aus dem Elektrolytmaterial resultieren. Die Monomere können beispielsweise von der elektrischen Spannung beeinflusst sein und die Ionen können einer Braunschen-Bewegung unterliegen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Reaktion des Polymerisierens beispielsweise mittels Oxidierens des Monomers ausgelöst werden, wobei dotierte, mit PF6- stabilisierte Oligomere, gebildet werden, die wiederum mit bereits gebildeten PEDOT-Fasern reagieren können. Die
Anwesenheit von dem Elektrolytmaterial und der lokalen, z.B. positiven Spannung, die größer als das Oxidierungspotential des Monomers ist, kann hilfreich sein, um die elektrochemische Reaktion zu realisieren. Anschaulich können sich Ionen an dem Interface zwischen mindestens einer Eingabe- Elektrode und mindestens einer Ausgabe-Elektrode und dem Elektrolytmaterial mit einer bestimmten Widerstand-Kondensator-Zeitdauer (engl.: „RC-time“) sammeln. Eine längere Zeitdauer ermöglicht es beispielsweise, dass an den Extremitäten der Fasern mehr Reaktionen ablaufen. Dies kann zu breiteren Fasern führen. Während des folgenden kathodischen Moments können nur die neu gebildeten Extremitäten der Fasern reaktiv werden. Dieser Effekt bietet beispielsweise die Möglichkeit, die Leitfähigkeit der mindestens einen elektrischen Verbindung aus elektrisch leitfähigem Polymer mittels struktureller Veränderungen zu steuern.
Im Folgenden werden einige Beispiele beschrieben, die sich auf das hierin Beschriebene und in den Figuren Dargestellte beziehen. Beispiel 1 ist ein elektronisches Bauelement, aufweisend: ein Substrat, wobei das Substrat eine Vielzahl von Eingabe-Elektroden und eine Vielzahl von Ausgabe-Elektroden aufweist, die auf und/oder in dem Substrat in einem Abstand voneinander angeordnet sind; und ein elektrisch leitfähiges Netzwerk aus einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Polymeren, wobei das elektrisch leitfähige Netzwerk eingerichtet ist, die Vielzahl von Eingabe-Elektroden mit der Vielzahl von Ausgabe-Elektroden elektrisch zu vernetzen.
Das elektrisch leitfähige Netzwerk kann jeweils mindestens eine Faserstruktur aus dem einen elektrisch leitfähigen Polymer oder den mehreren elektrisch leitfähigen Polymeren aufweisen, die sich von mindestens einer Eingabe-Elektrode zu mindestens einer Ausgabe-Elektrode erstreckt.
Die Faserstruktur kann einen mittleren Durchmesser in einem Bereich von ungefähr 1 mhi bis ungefähr 50 mhi aufweisen, beispielsweise in einem Bereich von 3 mhi bis 10 mhi. Die Faserstruktur kann eine im Wesentlichen geradlinige Struktur aufweisen.
In Beispiel 2 kann das elektronische Bauelement gemäß Beispiel 1 optional ferner ein Elektrolytmaterial aufweisen, das zumindest teilweise im Raum zwischen der Vielzahl von Eingabe- Elektroden und der Vielzahl von Ausgabe-Elektroden angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil des elektrisch leitfähigen Netzwerks in dem Elektrolytmaterial angeordnet ist.
In Beispiel 3 kann das elektronische Bauelement gemäß Beispiel 1 oder 2 optional ferner aufweisen, dass zumindest ein elektrisch leitfähiges Polymer des elektrisch leitfähigen Netzwerks, das eine Eingabe-Elektrode mit einer Ausgabe-Elektrode verbindet, mindestens eine Abzweigung aufweist, deren Ende mit keiner der Ausgabe-Elektroden elektrisch verbunden ist.
In Beispiel 4 kann das elektronische Bauelement gemäß Beispiel 3 optional ferner aufweisen, dass die Abzweigung zu einem weiteren elektrisch leitfähigen Polymer des elektrisch leitfähigen Netzwerks hin ausgerichtet ist.
In Beispiel 5 kann das elektronische Bauelement gemäß einem der Beispiel 1 bis 4 optional ferner aufweisen: mindestens eine Eingabe-Elektrode der Vielzahl von Eingabe-Elektroden; und mindestens eine erste Ausgabe-Elektrode und eine zweite Ausgabe-Elektrode der Vielzahl von Ausgabe-Elektroden; wobei die Eingabe-Elektrode eine elektrische Verbindung mit der ersten und zweiten Ausgabe-Elektrode aufweist. In Beispiel 6 kann das elektronische Bauelement gemäß einem der Beispiel 1 bis 5 optional ferner aufweisen: mindestens eine erste Eingabe-Elektrode und eine zweite Eingabe-Elektrode der Vielzahl von Eingabe-Elektroden; und mindestens eine Ausgabe-Elektrode der Vielzahl von Ausgabe- Elektroden, wobei die erste und zweite Eingabe-Elektrode eine elektrische Verbindung mit der Ausgabe-Elektrode aufweist.
In Beispiel 7 kann das elektronische Bauelement gemäß einem der Beispiele 1 bis 6 optional ferner einen Rückkopplungskanal aufweisen, der eigerichtet ist, zumindest eine Ausgabe-Elektrode mit einer Eingabe-Elektrode elektrisch leitend zu verbinden.
In Beispiel 8 kann das elektronische Bauelement gemäß einem der Beispiele 1 bis 7 ferner optional aufweisen, dass eine oder mehrere elektrisch leitfähige Polymer-Faser des elektrisch leitfähigen Polymers in einem Abstand über dem Substrat angeordnet sind. In Beispiel 9 kann das elektronische Bauelement gemäß Beispiel 8 optional aufweisen, dass eine oder mehrere elektrisch leitfähige Polymer-Faser zumindest in einem Abschnitt vollumfänglich frei von einem körperlichen Kontakt mit dem Substrat ist.
In Beispiel 10 kann das elektronische Bauelement gemäß einem der Beispiel 1 bis 9 optional eingerichtet als ein neuromorpher Chip und/oder eine synaptische Verbindung in einer Hirn- Computer-Schnittstelle eingerichtet sein.
Beispiel 11 ist ein künstliches neuronales Netzwerk, aufweisend: ein oder mehrere elektronische Bauelemente gemäß einem der Beispiele 1 bis 10, wobei das künstliche neuronale Netzwerk eingerichtet ist zum Ausführen mindestens einer Rechenfunktion mittels des einen elektronischen
Bauelementes bzw. mittels der mehreren elektronischen Bauelemente.
Beispiel 12 ist ein Verfahren zum Fierstellen eines elektronischen Bauelements, das Verfahren aufweisend: Bereitstellen eines Elektrolytmaterials zumindest in einem Raumbereich zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, wobei die erste Elektrode auf und/oder in einem
Substrat und die zweite Elektrode freibeweglich in dem Elektrolytmaterial angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode in einem Abstand zu der ersten Elektrode und dem Substrat angeordnet ist, und wobei das Elektrolytmaterial mindestens ein polymerisierbares Material aufweist, Bilden mindestens einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode mittels Polymerisierens des mindestens einen polymerisierbaren Materials zu einem elektrisch leitfähigen Polymer. In Beispiel 13 kann das Verfahren gemäß Beispiel 12 optional ferner aufweisen: Bewegen der zweiten Elektrode in dem Elektrolytmaterial, so dass der Abstand zu der ersten Elektrode vergrößert wird, wobei die räumliche Ausdehnung des elektrisch leitfähigen Polymers vergrößert wird. In Beispiel 14 kann das Verfahren gemäß Beispiel 12 oder 13 ferner optional aufweisen: Bewegen der zweiten Elektrode zu einer dritten Elektrode, die auf und/oder in einem Substrat und in einem Abstand zu der ersten Elektrode angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode die dritte Elektrode derart elektrisch kontaktiert, dass das elektrisch leitfähige Polymer eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode ausbildet
In Beispiel 15 kann das Verfahren gemäß Beispiel 14 optional aufweisen, dass die zweite Elektrode die dritte Elektrode außerhalb des Elektrolytmaterials kontaktiert oder dass die zweite Elektrode die dritte Elektrode innerhalb des Elektrolytmaterials kontaktiert. In Beispiel 16 kann das Verfahren gemäß einem der Beispiele 12 bis 15 optional aufweisen, dass das Bilden der mindestens einen elektrischen Verbindung mittels Anlegens eines elektrischen Signals zwischen zumindest der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erfolgt.
In Beispiel 17 kann das Verfahren nach einem der Beispiele 12 bis 16 optional aufweisen, dass das Bilden der mindestens einen elektrischen Verbindung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ein Bilden einer einzigen Faserstruktur mittels Polymerisierens des mindestens einen polymerisierbaren Materials aufweist, wobei die Faserstruktur einen körperlichen Kontakt zu der ersten Elektrode aufweist. In Beispiel 18 kann das Verfahren nach einem der Beispiele 14 bis 17 optional aufweisen, dass das
Bilden der mindestens einen elektrischen Verbindung zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode ein Bilden einer einzigen Faserstruktur mittels Polymerisierens des mindestens einen polymerisierbaren Materials aufweist, wobei die Faserstruktur einen körperlichen Kontakt zu der ersten und dritten Elektrode aufweist.
In Beispiel 19 kann das Verfahren nach einem der Beispiel 12 oder 18 optional ein Wiederholen der Schritte gemäß einem der Beispiele 12 bis 18 für mindestens eine oder mehrere weitere Eingabe- Elektroden und eine oder mehrere Ausgabe-Elektroden aufweisen, so dass ein elektrisch leitfähiges Netzwerk mit der Vielzahl elektrischer Verbindungen zwischen der Vielzahl von Eingabe-Elektroden und der Vielzahl von Ausgabe-Elektroden ausgebildet wird.
In Beispiel 20 kann das Verfahren nach Beispiel 19 optional ferner ein Maschinenlernen des elektrischen Netzwerks aufweisen, wobei ein oder mehrere vorbestimmte Signale an eine oder mehrere Eingabe-Elektroden angelegt wird und in Reaktion ein oder mehrere Signale an einer oder mehreren Ausgabe-Elektroden ermittelt wird, wobei das Maschinenlernen ein als Reservoir Computing, Echo State Network oder Liquid State Machine bezeichnetes Maschinenlern-Verfahren ist.

Claims

Patentansprüche
1. Elektronisches Bauelement (100), aufweisend: ein Substrat (102), wobei das Substrat (102) eine Vielzahl von Eingabe-Elektroden (106) und eine Vielzahl von Ausgabe-Elektroden (104) aufweist, die auf und/oder in dem Substrat
(102) in einem Abstand voneinander angeordnet sind; und ein elektrisch leitfähiges Netzwerk (110) aus einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Polymeren, wobei das elektrisch leitfähige Netzwerk eingerichtet ist, die Vielzahl von Eingabe-Elektroden mit der Vielzahl von Ausgabe-Elektroden elektrisch zu vernetzen, wobei das elektrisch leitfähige Netzwerk jeweils mindestens eine Faserstruktur aus dem einen oder mehreren elektrisch leitfähigen Polymeren aufweist, die sich von mindestens einer Eingabe-Elektrode (106) zu mindestens einer Ausgabe-Elektrode (104) erstreckt.
2. Elektronisches Bauelement (100) gemäß Anspruch 1 , ferner aufweisend: wobei die Faserstruktur einen mittleren Durchmesser in einem Bereich von ungefähr 1 mhi bis ungefähr 50 mhi aufweist.
3. Elektronisches Bauelement (100) gemäß Anspruch 1 , ferner aufweisend: wobei die Faserstruktur eine im Wesentlichen geradlinige Struktur aufweist.
4. Elektronisches Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend: ein Elektrolytmaterial (108), das zumindest teilweise im Raum zwischen der Vielzahl von Eingabe-Elektroden (106) und der Vielzahl von Ausgabe-Elektroden (104) angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil des elektrisch leitfähigen Netzwerks in dem Elektrolytmaterial angeordnet ist.
5. Elektronisches Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest eine elektrisch leitfähige Faserstruktur des elektrisch leitfähigen Netzwerks (110), das eine Eingabe-Elektrode (106) mit einer Ausgabe-Elektrode (104) verbindet, mindestens eine Abzweigung (202) aufweist, deren Ende mit keiner der Ausgabe-Elektroden
(104) elektrisch verbunden ist.
6. Elektronisches Bauelement (100) gemäß Anspruch 5, wobei die Abzweigung (202) zu einer weiteren elektrisch leitfähigen Faserstruktur des elektrisch leitfähigen Netzwerks (110) hin ausgerichtet ist.
7. Elektronisches Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend: mindestens eine Eingabe-Elektrode (106) der Vielzahl von Eingabe-Elektroden (106); mindestens eine erste Ausgabe-Elektrode (104-1) und eine zweite Ausgabe-Elektrode (104- 2) der Vielzahl von Ausgabe-Elektroden (104); wobei die Eingabe-Elektrode (106) eine elektrische Verbindung mit der ersten Ausgabe- Elektrode (104-1) und der zweiten Ausgabe-Elektrode (104-2) aufweist.
8. Elektronisches Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner aufweisend: mindestens eine erste Eingabe-Elektrode (106-1) und eine zweite Eingabe-Elektrode der Vielzahl von Eingabe-Elektroden (106); mindestens eine Ausgabe-Elektrode (104) der Vielzahl von Ausgabe-Elektroden (104); und wobei die erste Eingabe-Elektrode (106-1 ) und die zweite Eingabe-Elektrode (106-1 ,
106-2) eine elektrische Verbindung mit der Ausgabe-Elektrode (104) aufweist.
9. Elektronisches Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend: einen Rückkopplungskanal (400), der eigerichtet ist, zumindest eine Ausgabe-Elektrode (104) mit einer Eingabe-Elektrode (106) elektrisch leitend zu verbinden.
10. Elektronisches Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner aufweisend: wobei eine oder mehrere elektrisch leitfähige Faserstrukturen des elektrisch leitfähigen Polymers in einem Abstand über dem Substrat (102) angeordnet sind.
11. Elektronisches Bauelement (100) gemäß Anspruch 10, wobei eine oder mehrere elektrisch leitfähige Faserstrukturen zumindest in einem Abschnitt vollumfänglich frei von einem körperlichen Kontakt mit dem Substrat (102) ist/sind. 12. Elektronisches Bauelement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , eingerichtet als ein neuromorpher Chip und/oder eine synaptische Verbindung in einer Hirn- Computer-Schnittstelle.
13. Künstliches neuronales Netzwerk, aufweisend: ein oder mehrere elektronische Bauelemente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das künstliche neuronale Netzwerk eingerichtet ist zum Ausführen mindestens einer Rechenfunktion mittels des einen elektronischen Bauelementes (100) bzw. mittels der mehreren elektronischen Bauelemente (100). 14. Verfahren zum Herstellen (500) eines elektronischen Bauelements (100), das Verfahren aufweisend:
Bereitstellen (510) eines Elektrolytmaterials (108) zumindest in einem Raumbereich zwischen einer ersten Elektrode (104, 106)und einer zweiten Elektrode (120), wobei die erste Elektrode (104, 106) auf und/oder in einem Substrat (102) und die zweite Elektrode (120) freibeweglich in dem Elektrolytmaterial (108) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode (108) in einem Abstand zu der ersten Elektrode (104, 106) und dem Substrat (102) angeordnet ist, und wobei das Elektrolytmaterial (108) mindestens ein polymerisierbares Material aufweist,
Bilden (520) mindestens einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten Elektrode (104, 106) und der zweiten Elektrode (120) mittels Polymerisierens des mindestens einen polymerisierbaren Materials zu einem elektrisch leitfähigen Polymer. 15. Verfahren gemäß Anspruch 14, ferner aufweisend:
Bewegen der zweiten Elektrode (120) in dem Elektrolytmaterial (108), so dass der Abstand zu der ersten Elektrode (104, 106) vergrößert wird, wobei die räumliche Ausdehnung des elektrisch leitfähigen Polymers vergrößert wird. 16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, ferner aufweisend:
Bewegen der zweiten Elektrode (120) zu einer dritten Elektrode (106, 104), die auf und/oder in einem Substrat (102) und in einem Abstand zu der ersten Elektrode (104, 106) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode (120) die dritte Elektrode derart elektrisch kontaktiert, dass das elektrisch leitfähige Polymer eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Elektrode (104, 106) und der dritten Elektrode (106, 104) ausbildet.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei die zweite Elektrode (120) die dritte Elektrode (106, 104) außerhalb des Elektrolytmaterials (108) kontaktiert; oder wobei die zweite Elektrode (120) die dritte Elektrode (106, 104) innerhalb des
Elektrolytmaterials (108) kontaktiert.
18. Verfahren (500) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das Bilden (520) der mindestens einen elektrischen Verbindung mittels Anlegens eines elektrischen Signals zwischen zumindest der ersten Elektrode (104, 106) und der zweiten Elektrode (120) erfolgt.
19. Verfahren (500) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das Bilden (520) der mindestens einen elektrischen Verbindung (120) zwischen der ersten Elektrode (104, 106) und der zweiten Elektrode (120) ein Bilden einer einzigen
Faserstruktur mittels Polymerisierens des mindestens einen polymerisierbaren Materials aufweist, wobei die Faserstruktur einen körperlichen Kontakt zu der ersten Elektrode (104, 106) aufweist, und/oder wobei das Bilden der mindestens einen elektrischen Verbindung (120) zwischen der ersten Elektrode (104, 106) und der dritten Elektrode (106, 104) ein Bilden einer einzigen Faserstruktur mittels Polymerisierens des mindestens einen polymerisierbaren Materials aufweist, wobei die Faserstruktur einen körperlichen Kontakt zu der ersten und dritten Elektrode (104, 106) aufweist.
20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, ferner aufweisend:
Wiederholen der Schritte gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, für mindestens eine oder mehrere weitere Eingabe-Elektroden (106) und eine oder mehrere Ausgabe-Elektroden (104), so dass ein elektrisch leitfähiges Netzwerk (110) mit der Vielzahl elektrischer
Verbindungen zwischen der Vielzahl von Eingabe-Elektroden (106) und der Vielzahl von Ausgabe-Elektroden (104) ausgebildet wird; und
Maschinenlernen des elektrischen Netzwerks (110), wobei ein oder mehrere vorbestimmte Signale an eine oder mehrere Eingabe-Elektroden angelegt wird und in Reaktion ein oder mehrere Signale an einer oder mehreren Ausgabe-Elektroden ermittelt wird.
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