工艺简单、易于集成，存储密度高于无机铁电材料，可形成复杂形状及大面积薄膜，且能够避免无机铁电材料在高温下与硅器件集成发生相互扩散的现象。
[0073]本发明中，所述铁电聚合物主要是指聚偏氟乙烯PVDF及其共聚物。PVDF是由-CH2-CF2-形成的链状聚合物(CH2-CF2)n,其中η通常大于100 000。聚偏氟乙烯PVDF的铁电效应本质上是基于晶体内偶极子在外加电场作用下的取向排列。PVDF有四种晶型，分别为α、β、γ和δ相，其中，β相分子呈全反式结构，偶极子沿同一方向排列，极性最强，存在自发极化，且自发极化可在电场作用下发生反转，是四种晶型中唯一的铁电体。采用普通方法很难得到理想的铁电β相晶体，当加入一定量的第二组分(如三氟乙烯TrFE或四氟乙烯TeFE单体)形成共聚物时，能有效增加β相PVDF所占比重，从而增强材料的铁电性能。通常共聚物中VDF的含量在50%以上，聚合物的铁电性比较明显。
[0074]可选的，在聚偏氟乙烯PVDF 二元共聚物的基础上，引入第三组分(如氯化三氟乙烯、氯氟乙烯等)对共聚物进行改性，得到PVDF基三元聚合物，弛豫铁电聚合物，具有较高的介电常数和能量密度，也可用于本发明所述的忆阻器器件中。
[0075]聚偏氟乙烯基铁电聚合物具有优异的铁电性，其中P(VDF-TrFE)共聚物具有机械强度高、柔韧性好且轻薄、绝缘性强，易于制成大面积薄膜和不规则形状膜等特点，在外加电场作用下，P (VDF-TrFE)共聚物内的偶极子取向程度及数目逐渐变化，体现为器件电阻状态的连续性改变，具有非易失存储特性；该忆阻器器件在室温下至少重复稳定工作14次，可实现对生物突触学习功能及尖峰时间可塑性的模拟。
[0076]将本发明实施例2制备得到的基于有机铁电薄膜材料的忆阻器器件对生物神经突触记忆功能进行模拟。测试仪器为Keithley 2400源表和Cascade Summitl2000B-M探针台。
[0077]对所述忆阻器器件(底电极102和上电极104)施加连续的电压扫描，电压施加的过程是从0v，到20v，再到0v，如此重复5个周期。图5为实施例2制得的忆阻器器件在循环扫描电压作用下的电路-电压特性曲线。图5中，每个扫描线圈代表一个循环周期，连续扫描的5个周期依次为a、b、c、d、e。从图5中可以看出，每一个循环中，忆阻器器件的电导随电压扫描不断增加；每一个扫描线圈都是在上一个扫描线圈的路径之上实现增长的，每一次电压增加或者下降过程，忆阻器的电流都分别大于上一次循环中对应的电流，即每一次循环开始时，忆阻器的电导都高于上一次循环的电导，体现了忆阻器器件对电导历史有依赖性，模拟了生物突触在外界刺激下的学习与记忆功能。图5中带箭头的直线，是指扫描方向。
[0078]将本发明实施例2制备得到的基于有机铁电薄膜材料的忆阻器器件对生物神经突触尖峰时间可塑性功能进行模拟。测试仪器为Keithley 2400源表和Cascade Summit12000B-M探针台。对所述忆阻器器件(底电极102和上电极104)施加脉冲电压，给所述上电极施加第一脉冲信号，给所述底电极施加第二脉冲信号，并控制所述第一、第二脉冲信号的脉冲宽度之间的差值为正或负。
[0079]生物学上，神经突触包括突触前和突触后，即突触前与突触后神经元之间的连接强度，称为突触权重，突触前和突触后的刺激可以改变突触权重W。本实施例中，所述忆阻器器件的上电极用于模拟突触前，底电极用于模拟突触后；通过在上电极施加第一脉冲信号来模拟突触前刺激，通过在底电极施加第二脉冲信号来模拟突触后刺激；突触前后信号差为底电极与上电极之间的信号差。
[0080]突触权重W用所述忆阻器器件中有机铁电薄膜层的电导G表示。本发明用忆阻器器件的电导的相对变化量I AGl (以电导最小值标准化的电导变化量)代表生物突触的突触权重变化量AW;用不同的脉冲宽度代表不同的神经脉冲的尖峰时间差(ASpikeTiming)，即突触前与突触后刺激的时间差Δ to
[0081 ] 当对所述忆阻器器件施加7组完全相同的正/负电压脉冲(幅值相同20V，脉冲间隔(At)分别为10ms、15ms、25ms、50ms、80ms、150ms、250ms)之后，得到的生物突触的尖峰时间可塑性(STDP)的模拟效果图(如图6所示)。
[0082]从图6中可看出，突触权重的变化量AW由突触前后刺激的脉冲的时间差At决定，I A 11越小，Aff越大；I Δ 11越大，Af越小。
[0083]Δ t = t前_t后，当突触前刺激先于突触后刺激时，Δ t>0，忆阻器件的电阻下降，电导上升，突触联系强度增强，即突触权重上升，△ W>0，△ W随着△ t呈现e指数衰减；当突触前刺激滞后于后突触刺激时，At〈0，忆阻器器件的电阻上升，突触权重下降，AW〈0，Aff随着△ t呈现e指数衰减，实现生物神经突触尖峰时间可塑性功能的模拟。
【主权项】
1.一种基于有机铁电薄膜材料的忆阻器器件，其特征在于，包括: 柔性衬底，以及 形成在所述柔性衬底上的底电极，以及 形成在所述底电极之上的有机铁电薄膜层，以及 形成在所述有机铁电薄膜层之上的上电极； 其中，所述有机铁电薄膜层的材料为偏氟乙烯基铁电聚合物。2.如权利要求1所述的基于有机铁电薄膜材料的忆阻器器件，其特征在于，所述偏氟乙烯基铁电聚合物包括聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)、聚(偏氟乙烯-氯氟乙烯)、聚(偏氟乙烯-氯化三氟乙烯)、聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)、聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)、聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯化三氟乙烯)及聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-六氟丙烯)中的一种或几种的混合物。3.如权利要求2所述的基于有机铁电薄膜材料的忆阻器器件，其特征在于，所述有机铁电薄膜层的材料为聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)，其中，偏氟乙烯与三氟乙烯的单体摩尔比为 75:25。4.如权利要求1-3任一项所述的基于有机铁电薄膜材料的忆阻器器件，其特征在于，所述有机铁电薄膜层的厚度为100-300nm。5.如权利要求1所述的基于有机铁电薄膜材料的忆阻器器件，其特征在于，所述柔性衬底的材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯和聚丙烯中的任意一种。6.如权利要求1所述的基于有机铁电薄膜材料的忆阻器器件，其特征在于，所述有机铁电薄膜层夹在所述上电极、所述底电极之间，所述上电极与所述底电极构成十字交叉结构。7.如权利要求1所述的基于有机铁电薄膜材料的忆阻器器件，其特征在于，所述底电极的材料包括Pt、Ag、Cu和ITO中的任意一种；所述上电极的材料包括Pt、Ag、Cu和ITO中的任意一种。8.如权利要求1所述的基于有机铁电薄膜材料的忆阻器器件，其特征在于，所述底电极的厚度为100-300nm ;所述上电极的厚度为100_300nm。9.一种基于有机铁电薄膜材料的忆阻器器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 提供柔性衬底， 在所述柔性衬底之上制备底电极， 在所述底电极之上制备有机铁电薄膜层，以及 在所述有机铁电薄膜层之上制备上电极； 其中，所述有机铁电薄膜层的材料为偏氟乙烯基铁电聚合物。10.如权利要求9所述的忆阻器器件的制备方法，其特征在于，所述有机铁电薄膜层采用蒸镀、磁控溅射或涂覆的方式制备。
【专利摘要】本发明提供了一种基于有机铁电薄膜材料的忆阻器器件，包括柔性衬底、形成在所述柔性衬底上的底电极、形成在所述底电极之上的有机铁电薄膜层、以及形成在所述有机铁电薄膜层之上的上电极，其中，所述有机铁电薄膜层的材料为偏氟乙烯基铁电聚合物。该忆阻器器件能实现多态存储，具备忆阻性能，且具有良好的与电子皮肤兼容的力学性能，能模拟生物神经突触的功能，此外还具有体积小、结构简单、成本低、非易失性、可快速读写等优点，为未来制备轻量化、柔性化、集成化的人工认知设备提供了可能。本发明还提供了该基于有机铁电薄膜材料的忆阻器器件的制备方法。
【IPC分类】H01L45/00
【公开号】CN105702856
【申请号】CN201410693761
【发明人】夏奕东, 许含霓, 黄文龙, 朱冠宇, 罗彩珠
【申请人】华为技术有限公司, 南京大学
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2014年11月26日