视觉感知和存储器件及其制备方法和应用与流程

本发明属于虚拟现实技术领域，涉及一种视觉感知和存储器件及其制备方法和应用。

背景技术：

人体的感觉器官不仅可以感知外界刺激，还能够将这种刺激存储在人体的大脑中，即便是在这种刺激消退之后还能保留对人体产生这种感知的印象。眼睛，作为个体在日常生活中用来接收绝大多数信息的感觉器官，能够通过外界物体表面光线的反射从而分辨出物体的大小、远近、色彩、明暗、形状、表面的光滑粗糙程度等，并将这些信息上传至大脑，产生视觉感知。

在虚拟现实领域，众多科学工作者已经开始了对于视觉系统的模拟研究工作并取得了一定进展[nature，2008，454，748；adv.mater.，2016，28，2201；adv.sci.，2016，3，1500435]。尽管当前的一些视觉模拟电子器件已经具备了实时分辨一些特定图形的能力，但是它们仍然存在着很多局限性，例如较低的分辨率、较弱的光感应度和较差的精确度等。最重要的是，目前还没有研究能够真正实现对于视觉系统的模拟工作，因为它们仅仅能感知外界的光线变化，当光线消失后，这种感知迅速消退，而不能将这种信息像人体的视觉系统一样存储记忆起来。因此，进一步研究视觉模拟中信息的存储和再现功能显得尤为迫切。

技术实现要素：

为了克服现有技术和器件的一些缺点，本发明提出了一种用于视觉系统模拟的集成电子器件，以实现对于外界光线的感知和存储功能。

一方面，本发明提供了一种视觉感知和存储器件，包括形成于同一衬底上两个相邻的区域并且串联的电阻转换存储器和光电探测器，其中所述电阻转换存储器包括所述衬底上的第一电极、所述第一电极上的忆阻层和所述忆阻层上的第二电极，所述第二电极延伸到所述光电探测器的区域内；所述光电探测器包括所述衬底上的所述第二电极，所述第二电极上由光敏材料形成的纳米线，其中所述第二电极在所述光电探测器的区域内形成双端电极结构，电极两端呈齿状交替排列。

所述衬底为刚性衬底或柔性衬底，所述刚性衬底的材料选自sio2或玻璃，所述柔性衬底选自聚对苯二甲酸乙二酯pet、聚酰亚胺pi、聚氨酯pu或聚二甲基硅氧烷pdms中的一种。

所述光敏材料为金属氧化物、多元半导体纳米线、有机聚合物或二维材料，优选地，所述金属氧化物为氧化铟，氧化锌，氧化钛等，所述多元半导体纳米线为砷化铟，硫化锑，硫化铟等，所述有机聚合物为聚3-己基噻吩p3ht，苝二酰亚胺pdi等，所述二维材料为石墨烯，二硫化钼，硫化亚锡等。

所述忆阻层的材料选自具有不同电阻状态的金属氧化物，优选地，所述金属氧化物选自氧化铝、氧化铪或氧化硅。

所述第一电极的材料选自金、铜、碳、ito电极等，所述第二电极的材料选自镍、银、钛等。

另一方面，本发明还提供了一种所述器件的制备方法，包括：

(1)电阻转换存储器的制备：首先在衬底形成第一电极，然后在第一电极形成忆阻层，在忆阻层上方和光电探测器件区域的衬底上形成第二电极，所述第二电极在所述光电探测器的区域内为双端电极结构，电极两端呈齿状交替排列；

(2)光电探测器的制备：在光电探测器的区域内的第二电极上，由光敏材料通过近场静电纺丝形成纳米线阵列，然后退火，降至室温即得所述人工的视觉感知和存储系统。

步骤(1)中所述忆阻层的沉积参数为腔室温度180-220℃，压力0.10-0.20托，100-300次沉积循环，优选地，所述忆阻层的厚度为10-50纳米。

步骤(2)中退火的温度为350-450℃，时长为1-2小时。

又一方面，本发明还提供了一种视觉感知和存储系统，包括由多个所述视觉感知和存储器件形成的阵列。

又一方面，本发明还提供了一种所述视觉感知和存储系统在视觉感知和存储中的应用。

本发明与现有技术相比具有以下特点和优势：

(1)不仅能够感知外界光线信息，而且能够将这种信息存储起来，便于随时完成信息的提取和再现；

(2)每个视觉感知和存储器件相当于一个像素点，通过制备高密度的集成器件的阵列，可以有效提高对于光线的空间分辨率，从而实现对于复杂图案的精确感知；

(3)当感知并存储一种光线信息后，通过在器件两端施加特定的负电压能够擦除这种信息并重新感知和存储其他光线的信息，因此具有良好的可重复使用性能；

(4)可自由选择刚性衬底(如sio2衬底、玻璃衬底等)或柔性衬底(pet衬底、pi衬底、pu衬底、pdms衬底等)，从而制备柔性的人工视觉感知和存储器件。

附图说明

图1为本发明实施例中的视觉感知和存储器件的结构示意图；

图2为本发明实施例中制备的视觉感知和存储器件的显微照片；

图3为本发明实施例中制备的氧化铟纳米线退火前后的显微照片对比；

图4为氧化铟纳米线对于350nm波长的紫外光线的感知情况；

图5为视觉感知和存储器件在感知紫外光线时的电阻转换功能；

图6为当感知光线后视觉感知和存储器件对于该光线信息的长期稳定记忆能力；

图7为本发明实施例中制备的10×10柔性阵列视觉感知和存储系统；

图8为本发明实施例中视觉感知和存储系统的信息模拟情况。

附图标记说明：

1-电阻转换存储器；2-光电探测器；3-衬底；4-金电极；5-氧化铝忆阻层；6-镍电极；7-纳米线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的视觉感知和存储器件包括电阻转换存储器和光电探测器，其中光电探测器包括：金属氧化物如氧化铟、多元半导体纳米线如inas、有机聚合物如p3ht或石墨烯等作为光敏材料，二氧化硅、聚酰亚胺、pet或pdms等作为衬底和导电金属作为双端电极，可用来探测深紫外、紫外、可见、红外波段的光线，相当于人体视觉系统中视网膜感知外界光线的功能。

电阻转换存储器是由三明治结构(金属-忆阻层-金属)构成的忆阻器，相当于人体神经突触的双端几何结构。该忆阻器包括具有不同电阻状态的金属氧化物例如氧化铝，氧化铪，氧化硅等。该忆阻器的电阻状态可以通过正负电压的调节从而在高阻态和低阻态之间转换，分别对应于逻辑电路的0和1。

视觉感知和存储器件由上述光电探测器件和电阻转换存储器件串联而成，通过将忆阻器的上电极替换掉光电探测器件的其中一端电极来实现，如图1和图2所示。串联后的视觉感知和存储器件在感受到外界光线时，会引起电路中的光电流增加，从而使忆阻器两端的分电压增大。当分压达到可激发忆阻器转换的电压时，会导致忆阻器的电阻状态从高阻态转换为低阻态，并将这种电阻状态存储在器件中。这样，感受到的外界光线信息就被这种集成的电子器件感知并记忆下来，相当于信息的写入过程。当在器件两端施加一个反向的特定负电压时，会使忆阻器的电阻状态从低阻态返回到高阻态，这个过程相当于信息的擦除过程。

本发明是通过将光电探测器件和电阻转换存储器件串联在一起，从而实现对于外界光线的感知和记忆能力。这种集成的电子器件不仅可以实现对于紫外、可见、红外等不同波段的光线感知，而且具有良好的长期稳定记忆能力和可擦除复写能力。这种技术还可以通过制备大规模高密度的集成电子器件阵列，来有效提高视觉模拟的分辨率和精确辨识度。

下面以在二氧化硅和聚酰亚胺衬底上的集成电子器件为例详细介绍制备和测试过程，其中选用的紫外光敏材料为氧化铟，忆阻器结构为镍/氧化铝/金的三明治结构，制备氧化铟的方法参考申请号为201610212770.1的发明专利。

实施例1视觉感知和存储器件的制备与性能测试

(1)电阻转换存储器1的制备：通过光刻技术和原子层沉积技术，先在二氧化硅衬底3上镀上一层如图1中的金电极4，然后在一端的金电极上利用原子层沉积法原位沉积一层23纳米厚的氧化铝忆阻层5，所用的沉积参数为腔室温度200℃，压力0.15托，200次沉积循环。沉积完成后，在氧化铝层的上方镀上一层如图1中的镍电极6，同时作为忆阻器的上电极和紫外光电探测器的双端电极，得到的显微照片如图2所示。

(2)光电探测器2的制备：①首先配制光敏材料所用的前驱体溶液：在室温下，将0.5g水合硝酸铟(in(no3)3·4.5h2o)粉末加入到5ml的去离子水和8ml的乙醇混合溶液中，并磁力搅拌至完全溶解。然后，加入1.5g的聚乙烯吡咯烷酮(pvp，130万分子量)粉末，将混合后的溶液磁力搅拌5小时，直到混合溶液透明均一。然后，取约1ml溶液滴入注射器，准备开始近场静电纺丝制备氧化铟光敏材料。②氧化铟纳米线的制备：将注射器的微孔径金属头接直流高压电源的正极，并固定在离收集板的高度小于1cm处，纺丝电压设置为1.5kv左右。通过程序控制和调整近场电纺的氧化铟纳米线阵列数目，在步骤(1)中的二氧化硅衬底上制备纳米线阵列。过程结束后，将样品放入快速退火炉中退火，退火温度设置为400℃，时长1.5小时，然后自由冷却至室温，材料结晶后得到氧化铟纳米线7，形貌照片如图3所示。

(3)集成电子器件的性能测试：利用探针台，在电极两端压上探针，用一定波长的紫外光垂直照射该器件，通过4200scs半导体分析测试系统测试并收集实验数据，最后得出器件在350nm的紫外光波长下的感知功能如图4所示，集成电子器件在紫外光下的电阻转换性能和对光线信息的长期存储能力如图5和图6所示。

实施例210×10柔性阵列视觉感知和存储系统的制备与性能测试

为了提高器件的空间分辨率，精确感知光线的分布情况，实现人工视觉系统的模拟，本实施例制备了100像素的柔性集成电子器件(如图7)，制备方法类似于实施例1中的(1)、(2)步骤，不同之处在于：步骤(2)中的纳米纤维阵列数目设置为10，步骤(1)中的光刻过程所用的掩膜版为10×10的阵列掩膜版，性能测试所采用的带有图案的紫外光线是激光通过电子衍射元件(doe)所产生的紫外光图案，最后通过对所有单元器件数据的汇总分析，用matlab软件模拟出的视觉效果如图8所示。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。