一种自供电光学突触器件及其制备方法

1.本发明涉及人工突触器件技术领域，更具体地，涉及一种自供电光学突触器件及其制备方法。


背景技术：

2.在后摩尔时代，传统数字计算机逐渐饱和的计算能力无法满足指数级增长的数据量的要求，因此急需一种平台或者技术来打破这一瓶颈。神经形态类脑领域应势迅速发展，大脑启发的人工神经网络(ann)算法基于高性能计算机，通过模拟人脑的模式，能够对海量信息进行整合和处理、智能识别和分类。然而，ann的软件实现仍然运行在分离的逻辑单元和存储单元的标准冯
·
诺依曼架构上，这会造成更多的效率冗余，效率瓶颈也将随着信息量指数级的增长而出现。大脑启发的神经形态计算有望通过高度并行的硬件架构来减少全局数据传输，从而内在地提高信息处理和计算的效率，而在硬件平台上展示的神经形态计算需要集成大规模人工突触器件，以自适应地认知和处理来自外部的海量信息。因此，构建简单、超低能耗的人工突触装置是实现高度复杂的神经形态计算的重要一步，是推动后摩尔时代计算系统发展的最有前途的技术之一。
3.功耗问题是器件大规模集成所面临的主要问题之一，器件功耗的高低与耗电量、成本、性能等息息相关。由于底层硬件操作的并行性提高，人工突触器件的实现表明，与数字计算相比，神经形态计算在能量消耗方面取得了巨大的成就。现有技术表明，精心设计器件的结构和工作原理能够构建超低功耗突触模拟器件。[yang c,qian j,jiang s,et al.an optically modulated organic schottky-barrier planar-diode-based artificial synapse[j].advanced optical materials,2020,8(13):2000153.]公开了一种基于光调制有机肖特基势垒平面二极管的人工突触，光调制肖特基势垒平面二极管结构和双层有机晶体半导体相结合，构建了一个具有优异灵敏度和低功耗的人工突触器件，在小的阳极/阴极偏压下，可以实现约13.6pj的能耗，在现有技术实现低功耗的基础上如何开发一种功耗更低、性能更加优异的人工突触器件是目前亟需解决的问题。


技术实现要素：

[0004]
本发明为克服上述现有技术人工突触器件功耗高的缺陷和不足，提供一种自供电光学突触器件，该自供电光学突触器件功耗为零。
[0005]
本发明的进一步目的是提供一种自供电光学突触器件的制备方法，该制备方法制作成本低，制作工艺简单，易于实施。
[0006]
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
[0007]
一种自供电光学突触器件，包括：
[0008]
衬底；
[0009]
覆盖所述衬底的半导体层；
[0010]
位于所述半导体层上相对设置的金电极和pedot：pss电极。
[0011]
本发明自供电光学突触器件的衬底为后续半导体层提供良好的生长界面，半导体层的功能与生物突触的突触间隙类似，接收外界光刺激后，会产生大量的光生电子和空穴，并且分子层厚度的特性使得一部分的电子被衬底俘获，从而使半导体层的导电特性具有一定的保持行为，以此来模拟前突和后突之间连接强度的保持。金电极和聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)pedot：pss电极的功能与生物突触的突触前后膜类似，非对称电极能够实现非对称的肖特基接触电场，从而获得光生伏特效应，实现光学突触器件自供电的驱动模式，自供电光学突触器件具有功耗为零的特性。
[0012]
进一步地，所述pedot：pss电极掺杂聚乙烯亚胺。
[0013]
自供电器件的驱动特性和肖特基势垒非对称性密切相关，而肖特基势垒能够受电极功函数敏感调制，非对称电极的功函数差异越大，自供电器件的驱动特性越好。本发明通过掺杂聚乙烯亚胺(pei)的方式调控电极功函数，以此来调控器件的行为，所得到的自供电光学突触器件具有优异的双脉冲易化(ppf)行为和非易失性存储行为。
[0014]
掺杂的聚乙烯亚胺的浓度与所得到的自供电光学突触器件的双脉冲易化行为和非易失性存储行为相关，发明人发现，在聚乙烯亚胺的浓度在1％以上，改善效果比较明显。但聚乙烯亚胺浓度过高，这种效应又会下降。优选地，所述聚乙烯亚胺的掺杂浓度为1％～1.5％。
[0015]
掺杂浓度为聚乙烯亚胺与pedot：pss水溶液的质量百分比。
[0016]
更优选地，所述聚乙烯亚胺的掺杂浓度为1.5％。
[0017]
进一步地，所述金电极为金电极薄膜，其长度为60～100μm，宽度为80～100μm。
[0018]
进一步地，所述pedot：pss电极为pedot：pss电极薄膜，其长度为60～100μm，宽度为80～100μm。
[0019]
进一步地，所述pedot：pss电极为pedot：pss电极薄膜，制备方法如下：
[0020]
将掩模版置于表面疏水的衬底上，向孔洞中滴入0.1～0.3μl的pedot：pss水溶液，置于真空环境中8～10min后取下掩模版，得到pedot：pss电极薄膜。
[0021]
具体地，将80～120nm氧化层的二氧化硅/硅衬底切割成长度为9～11mm宽度为5～7mm的衬底，依次用无水乙醇和蒸馏水分别超声清洗8～12min。将清洗后的衬底浸入ots与正己烷溶液中进行20～30min的疏水处理，得到表面疏水的二氧化硅/硅衬底，然后将改性的衬底依次用无水乙醇和蒸馏水分别超声清洗10～20min后得到容易剥离的界面。将具有矩形孔洞阵列(孔洞大小为700μm*525μm)的掩模版平稳地放置于衬底上，通过移液枪向孔洞中滴入0.1～0.3μl的pedot：pss水溶液，将盖有掩模版的疏水衬底置于真空环境中8～10min，用镊子一次取下掩模版，得到pedot：pss电极薄膜。
[0022]
pedot：pss电极掺杂聚乙烯亚胺(pei)的pedot：pss：pei电极薄膜的制备方法与pedot：pss电极薄膜的制备方法基本相同，其区别在于向孔洞中滴入的pedot：pss水溶液为聚乙烯亚胺与pedot：pss水溶液的混合溶液。
[0023]
进一步地，所述pedot：pss电极与金电极之间的距离为10～20μm。
[0024]
进一步地，所述半导体层为c8-btbt薄膜。
[0025]
c8-btbt薄膜为2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩薄膜。
[0026]
进一步地，所述c8-btbt薄膜的制备方法如下：
[0027]
茴香醛与苯甲醚混合制备生长溶剂，将c8-btbt溶解于生长溶剂中制得生长溶液，
在衬底上滴加生长溶液并排出空气，制备得到c8-btbt薄膜。
[0028]
具体地，将80～120nm氧化层的二氧化硅/硅衬底切割成长度为6～7mm的正方形衬底，依次用无水乙醇和蒸馏水分别超声清洗8～12min。混合对茴香醛与苯甲醚制备生长溶剂，将c8-btbt溶解于生长溶剂中制得生长溶液，搅拌均匀后用移液枪在衬底上滴加生长溶液并使用泵排出空气，实现高质量分子晶体沿着液滴的提拉轨迹生长，制备得到c8-btbt薄膜。
[0029]
进一步地，所述衬底为二氧化硅/硅衬底。
[0030]
具有容性的二氧化硅层能够赋予器件非易失性的存储特性，即忆阻机制。
[0031]
进一步地，所述二氧化硅/硅衬底中二氧化硅的厚度为80～120nm。
[0032]
一种自供电光学突触器件的制备方法，包括以下步骤：
[0033]
s1.提供衬底；
[0034]
s2.在所述衬底上制备半导体层；
[0035]
s3.使用探针辅助转移金电极和pedot：pss电极至半导体层上，两电极相对放置。
[0036]
具体地，提供衬底：将80～120nm氧化层的二氧化硅/硅衬底切割成长度为6～7mm的正方形衬底，依次用无水乙醇和蒸馏水分别超声清洗8～12min。
[0037]
在所述衬底上制备半导体层-c8-btbt薄膜：混合对茴香醛与苯甲醚制备生长溶剂，将c8-btbt溶解于生长溶剂中制得生长溶液，搅拌均匀后用移液枪在衬底上滴加生长溶液并使用泵排出空气，在衬底上制备得到半导体层-c8-btbt薄膜。
[0038]
使用探针辅助转移金电极和pedot：pss电极至半导体层上，两电极相对放置：用钨针切割金电极和与金电极尺寸相当的pedot：pss电极，翘起电极的短边后换铜针蘸取适量铟镓共晶从翘起的短边处粘取电极移至c8-btbt薄膜上，两电极长边相对放置，且相对的边在半导体层上平齐，电极之间的距离为10～20μm。
[0039]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0040]
本发明提供的金电极与pedot：pss电极组合的自供电光学突触器件具有功耗为零的特性。
[0041]
在上述基础上，本发明提供的带聚乙烯亚胺掺杂的pedot：pss电极自供电光学突触器件具有更好的双脉冲易化(ppf)行为和非易失性存储行为。
[0042]
本发明提供的自供电光学突触器件的制备方法制作成本低，制作工艺简单，易于实施。
附图说明
[0043]
图1为实施例1自供电光学突触器件的器件结构图。
[0044]
图2为实施例1自供电光学突触器件在不同光学条件下的对数电流-电压(i-v)特性示意图。
[0045]
图3为实施例1自供电光学突触器件在接近零电压的非常小的电压范围内的线性电流-电压(i-v)特性示意图。
[0046]
图4为实施例1自供电光学突触器件的模拟测试下的双脉冲易化(ppf)行为示意图。
[0047]
图5为实施例1自供电光学突触器件在刺激后电流在不同脉冲数下衰减示意图，插
图为学习程度和遗忘率与脉冲数的关系图。
[0048]
图6为对实施例1～4自供电光学突触器件进行突触行为模拟的双脉冲易化(ppf)行为对比图。
具体实施方式
[0049]
为了更清楚、完整的描述本发明的技术方案，以下通过具体实施例进一步详细说明本发明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。
[0050]
实施例1
[0051]
一种自供电光学突触器件，包括：
[0052]
二氧化硅/硅衬底，二氧化硅的厚度为100nm；
[0053]
覆盖所述衬底的c8-btbt薄膜；
[0054]
位于所述c8-btbt薄膜上相对设置的金电极和pedot：pss电极，所述金电极为金电极薄膜，其长度为60μm，宽度为80μm；所述pedot：pss电极为pedot：pss电极薄膜，其长度为60μm，宽度为80μm；所述pedot：pss电极与金电极之间的距离为10μm。
[0055]
所述c8-btbt薄膜的制备方法如下：
[0056]
将100nm氧化层的二氧化硅/硅衬底切割成长度为6mm的正方形衬底，依次用无水乙醇和蒸馏水分别超声清洗12min。混合98.5μl对茴香醛与0.5μl苯甲醚制备生长溶剂，将1mg c8-btbt溶解于生长溶剂中制得生长溶液，搅拌均匀后用移液枪在衬底上滴加生长溶液并使用泵排出空气，制备得到c8-btbt薄膜。
[0057]
所述pedot：pss电极薄膜的制备方法如下：
[0058]
将100nm氧化层的二氧化硅/硅衬底切割成长度为10mm宽度为5mm的衬底，依次用无水乙醇和蒸馏水分别超声清洗12min。将清洗后的衬底浸入体积比为1：5的ots与正己烷溶液中进行30min的疏水处理，得到表面疏水的二氧化硅/硅衬底衬底，然后将改性的衬底依次用无水乙醇和蒸馏水分别超声清洗20min后得到容易剥离的界面。将具有矩形孔洞阵列(孔洞大小为700μm*525μm)的掩模版平稳地放置于衬底上，通过移液枪向孔洞中滴入0.1～0.3μl的pedot：pss水溶液(ph1000，质量分数为1.2％)，将盖有掩模版的疏水衬底置于真空环境中10min，用镊子一次取下掩模版，得到pedot：pss电极薄膜。
[0059]
所述自供电光学突触器件的制备方法，包括以下步骤：
[0060]
s1.提供二氧化硅/硅衬底：将100nm氧化层的二氧化硅/硅衬底切割成长度为6mm的正方形衬底，依次用无水乙醇和蒸馏水分别超声清洗12min；
[0061]
s2.在所述衬底上制备c8-btbt薄膜：混合98.5μl对茴香醛与0.5μl苯甲醚制备生长溶剂，将1mg c8-btbt溶解于生长溶剂中制得生长溶液，搅拌均匀后用移液枪在衬底上滴加生长溶液并使用泵排出空气，在衬底上制备得到c8-btbt薄膜；
[0062]
s3.使用探针辅助转移金电极和pedot：pss电极至c8-btbt薄膜上，两电极相对放置：用钨针切割金电极和与金电极尺寸相当的pedot：pss电极，翘起电极的短边后换铜针蘸取适量铟镓共晶从翘起的短边处粘取电极移至c8-btbt薄膜上，两电极长边相对放置，且相对的边在c8-btbt薄膜上平齐，电极之间的距离为10μm。
[0063]
实施例2
[0064]
一种自供电光学突触器件，与实施例1基本相同，其区别在于：所述pedot：pss电极掺杂聚乙烯亚胺，聚乙烯亚胺的掺杂浓度为1％。
[0065]
实施例3
[0066]
一种自供电光学突触器件，与实施例1基本相同，其区别在于：所述pedot：pss电极掺杂聚乙烯亚胺，聚乙烯亚胺的掺杂浓度为1.5％。
[0067]
实施例4
[0068]
一种自供电光学突触器件，与实施例1基本相同，其区别在于：所述pedot：pss电极掺杂聚乙烯亚胺，聚乙烯亚胺的掺杂浓度为2.6％。
[0069]
下面结合附图及测试结果对本发明的技术方案作进一步说明。
[0070]
图1为本发明实施例1提供的一种自供电光学突触器件的器件结构图，以二氧化硅/硅为衬底，其中二氧化硅的厚度为100nm，c8-btbt二维有机半导体晶体薄膜为半导体层,长度为60μm、宽度为80μm的金电极和pedot：pss电极分别位于左右两边，pedot：pss电极与金电极之间的距离为10μm。本发明所提供的光学突触器件自供电的性能主要依赖于这种非对称的电极结构，非对称电极能够实现非对称的肖特基接触电场，从而获得光生伏特效应，实现自供电的驱动模式。
[0071]
图2为实施例1自供电光学突触器件在不同光学条件下的对数电流-电压(i-v)特性示意图，该器件在黑暗条件下显示出典型的整流特性。同时，随着光照强度的增加，i-v曲线也发生了轻微的左移，表明开路电压(v
oc
)是光学可调的。v
oc
作为光伏器件的一个关键参数，证实了在电压扫描过程中存在需要补偿的内建电场，从而导致光照下i-v曲线的移动。
[0072]
图3为实施例1自供电光学突触器件在接近零电压的非常小的电压范围内的线性电流-电压(i-v)特性示意图，从图3中可以看到光照强度对光伏特性的影响,其中在162和374μw/cm2下计算的能量转换效率(pce)分别为8
×
10-6
和2.5
×
10-5
，开路电压分别为0.007v和0.01v，开路电压的存在说明该器件具有光生伏特效应，也就具有自供电性能。
[0073]
图4为实施例1自供电光学突触器件的模拟测试下的双脉冲易化(ppf)行为示意图，ppf是一种器件兴奋性突触后电流(epsc)动力学促进，它将第二次刺激诱发的epsc水平相较于第一次诱导的epsc水平的增强程度与时间间隔相关联。如图4所示，相当大的时间间隔依赖性的促进行为表明了短时尺度内的动态计算功能。基于自供电模式，自供电光学突触器件在零电压下仍表现出双脉冲易化(ppf)行为。
[0074]
图5为实施例1自供电光学突触器件在刺激后电流在不同脉冲数下衰减示意图，插图为学习程度和遗忘率与脉冲数的关系图，图5中电流衰减符合幂函数，通过重复刺激可以获得更高epsc，这表明更高的学习程度，同时，更高的学习程度显示出较慢的刺激后电流衰减(即遗忘率)。插图说明，通过连续重复“训练”获得的较高学习程度具有较低的遗忘率。因此，即使在零外部电压下，自供电光学突触器件仍表现出记忆可塑性行为。
[0075]
对实施例1～4自供电光学突触器件四种聚乙烯亚胺的掺杂浓度下的pedot：pss电极功函数进行了测量，并测试了相应器件的光伏特性，检测结果见表1。
[0076]
表1
[0077][0078]
当pedot：pss电极掺杂聚乙烯亚胺后，电极功函数降低，当聚乙烯亚胺的掺杂浓度为1.5％时，器件表现出最大的开路电压v
oc
以及最大输出功率，因此在该掺杂浓度下的自供电光学突触器件具有最佳的光伏驱动特性。
[0079]
图6为对实施例1～4的自供电光学突触器件进行突触行为模拟的双脉冲易化(ppf)行为对比图，当聚乙烯亚胺的掺杂浓度为1.5％时，器件的双脉冲易化(ppf)行为表现明显，表明器件具有较好的非易失性存储行为。测试结果和器件的光伏特性吻合，因此证明通过在pedot：pss电极中掺杂聚乙烯亚胺能够实现调制自供电光学突触器件的行为。
[0080]
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。本领域技术人员应当理解，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种自供电光学突触器件，其特征在于，包括：衬底；覆盖所述衬底的半导体层；位于所述半导体层上相对设置的金电极和pedot：pss电极。2.根据权利要求1所述自供电光学突触器件，其特征在于，所述pedot：pss电极掺杂聚乙烯亚胺。3.根据权利要求2所述自供电光学突触器件，其特征在于，所述聚乙烯亚胺的掺杂浓度为1％～1.5％。4.根据权利要求2所述自供电光学突触器件，其特征在于，所述聚乙烯亚胺的掺杂浓度为1.5％。5.根据权利要求1所述自供电光学突触器件，其特征在于，所述pedot：pss电极为pedot：pss电极薄膜，制备方法如下：将掩模版置于表面疏水的衬底上，向孔洞中滴入0.1～0.3μl的pedot：pss水溶液，置于真空环境中8～10min后取下掩模版，得到pedot：pss电极薄膜。6.根据权利要求1所述自供电光学突触器件，其特征在于，所述半导体层为c8-btbt薄膜。7.根据权利要求6所述自供电光学突触器件，其特征在于，所述c8-btbt薄膜的制备方法如下：茴香醛与苯甲醚混合制备生长溶剂，将c8-btbt溶解于生长溶剂中制得生长溶液，在衬底上滴加生长溶液并排出空气，制备得到c8-btbt薄膜。8.根据权利要求1所述自供电光学突触器件，其特征在于，所述衬底为二氧化硅/硅衬底。9.根据权利要求8所述自供电光学突触器件，其特征在于，所述二氧化硅/硅衬底中二氧化硅的厚度为80～120nm。10.一种权利要求1～9任意一项所述自供电光学突触器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.提供衬底；s2.在所述衬底上制备半导体层；s3.使用探针辅助转移金电极和pedot：pss电极至半导体层上，两电极相对放置。

技术总结
本发明公开了一种自供电光学突触器件及其制备方法，该自供电光学突触器件包括衬底，覆盖所述衬底的半导体层以及位于所述半导体层上相对设置的金电极和PEDOT：PSS电极。本发明的自供电光学突触器件具有功耗为零的特性；不仅如此，本发明还对PEDOT：PSS电极进行了改性，使改性后的自供电光学突触器件具有更好的双脉冲易化行为和非易失性存储行为。本发明提供的自供电光学突触器件的制备方法制作成本低，制作工艺简单，易于实施。易于实施。易于实施。


技术研发人员：杨成东 宗文翔 夏开鹏 苏琳琳
受保护的技术使用者：无锡学院
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/21