一种可控抑制型人工突触电子器件及其制备方法与应用与流程

本发明属于人工智能技术领域，具体涉及一种可控抑制型人工突触电子器件及其制备方法与应用。

背景技术：

随着人类社会进入信息时代，电子信息产业得到了飞速的发展，由基本电子元件构建的高效神经元芯片引起了相当的关注。作为一个新兴的并对神经形态有效计算的途径，通过利用多种简单元器件以仿效生物突触这种跨学科领域的新颖想法已经实现，被认为是神经网络中的基本发生器和信号通道。这些新兴的技术原型具有可调和可存储的导电性状态，可以根据外部突触信号输入条件自适应地生成特定的输出。更重要的是，通过探索模拟各种神经功能，最终可以达到有效的神经形态计算。

在神经科学研究中，神经系统的高效性关键在于大脑皮质神经元间巨大的连接网络，它为大脑提供了高度并行的处理能力。大脑有这样强大的能力关键在于其拥有神经元和突触组成的神经网络。大脑中大约有1012-1014个突触，它们是神经元之间信息交换的渠道，每个神经元与其他神经元之间有1000多个突触连接。突触最突出的特点是具有突触可塑性，突触可塑性是生物学习和记忆的分子基础，在大脑神经信号的传输中起着至关重要的作用。科学家认为如果计算机可以像大脑一样实时处理复杂的信息，并且像大脑一样消耗很少的能量，那么，信息膨胀的问题将得以解决，人类将进入智能信息时代。研究人员发现，人工突触和神经突触有着十分相似的传输特性，单个二极管人工突触便可能模拟一个神经突触的功能，与传统使用的由多个晶体管和电容器相结合的互补金属氧化物半导体(cmos)来模拟的单个突触相比减少了很多能耗，也降低了集成电路的复杂性。

从目前国内外总体的研究进展来看，人工突触仍面临下列挑战：目前的研究依旧主要集中在神经兴奋方面，对神经抑制的功能所提甚少，大多材料存在性能不稳定等问题，在耐受性和抗饱和性等方面存在不足，实现不了生物突触所具有的兴奋或者抑制功能模拟。

技术实现要素：

解决的技术问题：针对现有的人工突触电子器件存在性能不稳定、耐受性和抗饱和性等方面存在不足、实现不了生物突触所具备的抑制功能模拟等问题，本发明提供一种可控抑制型人工突触电子器件及其制备方法与应用，所述人工突触电子器件属于多种可控抑制机制，适合柔性器件，结构易于设计，工艺简单，性能稳定，具备可以大面积、低成本制作等优点。

技术方案：一种可控抑制型人工突触电子器件，所述人工突触电子器件包括自下而上依次设置的衬底、第一电极、阻变层和第二电极，所述阻变层为氧化石墨烯活性层。

作为优选，所述衬底为表面涂有厚度为300nm的二氧化硅层的硅片衬底。

作为优选，所述第一电极和第二电极均为金电极，并且第一电极和第二电极的厚度为45~55nm。

作为优选，所述第一电极和第二电极的厚度为50nm。

作为优选，所述氧化石墨活性层的厚度为900~1100nm，方阻为90000~110000ω。

作为优选，所述氧化石墨烯活性层的厚度为1000nm，方阻为100000ω。

本发明的另一个技术方案为一种可控抑制型人工突触电子器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤一.将氧化石墨烯投入分散剂中制成悬浮液，氧化石墨烯的浓度为20mg/ml；

步骤二.将步骤一制备的悬浮液置于超声波清洗机内，超声震荡10min直至所述悬浮液完全分散均匀；

步骤三.将衬底硅晶片依次经过丙酮、乙醇和超纯水分别超声清洗15min处理后并烘干；

步骤四.将步骤三处理后的衬底放入真空蒸镀系统中，抽真空至腔内压力低于5×10^-5pa后，在衬底上面开始蒸镀au电极；

步骤五.镀膜结束后，保持真空状态下待电极冷却至室温，然后将步骤二制备的完全分散均匀的氧化石墨烯溶液旋涂至镀膜后的器件上面，然后放于烘箱中，设置温度为80℃，退火30min；

步骤六.将步骤五退火处理后的器件放入真空蒸镀系统中，抽真空至腔内压力低于5×10^-5pa之后，在器件的上面开始蒸镀au电极；

步骤七.镀膜结束后，保持真空状态下待电极冷却至室温，最终完成制备。

作为优选，所述步骤一中分散剂为甲醇。

作为优选，所述步骤四和步骤六中au电极真空蒸镀的速度为4~5å/s。

本发明还包括所述人工突触电子器件在模拟抑制型生物突触中的应用。

有益效果：本发明的主要优点在于：（1）可控抑制氧化石墨烯人工突触是由真空蒸镀制备得到，明显的工艺简单、器件产率高、高输出可重复性、性能稳定以及抗饱和能力强等优势。（2）可控抑制氧化石墨烯人工突触能够进行多种神经功能的模拟，更为重要的是其具有多种可控抑制，对于调节整个神经活动很重要。本发明提供的可控抑制型人工突触结构简单，易于设计，工艺简单，同时，表现出明显的器件产率高、输出可重复性、性能稳定以及抗饱和能力强等优势。

附图说明

图1.本发明所述电子器件结构示意图；

图2.本发明所述电子器件中衬底和第一电极结构示意图；

图3.本发明所述电子器件中阻变层氧化石墨烯活性薄膜层的结构示意图；

图4.可控抑制氧化石墨烯人工突触（活性薄膜层为氧化石墨烯go）通过施加8v正负电压时的iv曲线示意图；

图5.可控抑制氧化石墨烯人工突触（活性薄膜层为氧化石墨烯go）在连续正电压8v和回扫正电压6v刺激下的电导率的变化曲线示意图；

图6.可控抑制氧化石墨烯人工突触（活性薄膜层为氧化石墨烯go）在连续正电压8v和回扫电压4v刺激下的电导率的变化曲线示意图；

图7.可控抑制氧化石墨烯人工突触（活性薄膜层为氧化石墨烯go）在连续正电压8v和回扫电压0v刺激下的电导率的变化曲线示意图。

图中各标号代表如下：1.衬底；2.第一电极；3.阻变层；4.第二电极。

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，对本发明进一步详细说明。在此提供的附图及其描述仅用于例示本发明的实施例。在各附图中的形状和尺寸仅用于示意性例示，并不严格反映实际形状和尺寸比例。此外，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状，在本发明实施例图示中，均以矩形表示，图中的表示是示意性的，而不是用于限制本发明的范围。

实施例1

一种可控抑制型人工突触电子器件，参照图1和图2，所述人工突触电子器件包括自下而上依次设置的衬底1、第一电极2、阻变层3和第二电极4。其中，第一电极2和第二电极4用于与外部电源进行电连接，阻变层3用于实现组态之间的转换。参照图3，所述阻变层3为氧化石墨烯活性层（go），属于单层结构，具备优良的导电性能。所述衬底1为表面涂有厚度为300nm的二氧化硅层的硅片衬底。第一电极2和第二电极4均为金电极，并且厚度为45nm。氧化石墨烯活性层的厚度为900nm，方阻为90000ω。

所述可控抑制型人工突触电子器件还设有电极引出层，分别设于第一电极2和第二电极4处，用于引出第一电极2和第二电极4，并于外部电源进行电连接；电极引出层为金属金。

所述可控抑制型人工突触电子器件的制备方法如下：

步骤一.将氧化石墨烯投入分散剂甲醇中制成悬浮液，氧化石墨烯的浓度为20mg/ml；

步骤二.将步骤一制备的悬浮液置于超声波清洗机内，超声震荡10min直至所述悬浮液完全分散均匀；

步骤三.将衬底硅晶片依次经过丙酮、乙醇和超纯水分别超声清洗15min处理后并烘干；

步骤四.将步骤三处理后的衬底放入真空蒸镀系统中，抽真空至腔内压力低于5×10^-5pa后，在衬底上面开始蒸镀au电极，au电极真空蒸镀的速度为4~5å/s；

步骤五.镀膜结束后，保持真空状态下待电极冷却至室温，然后将步骤二制备的完全分散均匀的氧化石墨烯溶液旋涂至镀膜后的器件上面，然后放于烘箱中，设置温度为80℃，退火30min；

步骤六.将步骤五退火处理后的器件放入真空蒸镀系统中，抽真空至腔内压力低于5×10^-5pa之后，在器件的上面开始蒸镀au电极，au电极真空蒸镀的速度为4~5å/s；

步骤七.镀膜结束后，保持真空状态下待电极冷却至室温，最终完成制备。

实施例2

一种可控抑制型人工突触电子器件，参照图1和图2，所述人工突触电子器件包括自下而上依次设置的衬底1、第一电极2、阻变层3和第二电极4。其中，第一电极2和第二电极4用于与外部电源进行电连接，阻变层3用于实现组态之间的转换。参照图3，所述阻变层3为氧化石墨烯活性层（go），属于单层结构，具备优良的导电性能。所述衬底1为表面涂有厚度为300nm的二氧化硅层的硅片衬底。第一电极2和第二电极4均为金电极，并且厚度为55nm。氧化石墨烯活性层的厚度为1100nm，方阻为110000ω。

所述可控抑制型人工突触电子器件还设有电极引出层，分别设于第一电极2和第二电极4处，用于引出第一电极2和第二电极4，并于外部电源进行电连接；电极引出层为金属金。

所述可控抑制型人工突触电子器件的制备方法如下：

步骤一.将氧化石墨烯投入分散剂甲醇中制成悬浮液，氧化石墨烯的浓度为20mg/ml；

步骤二.将步骤一制备的悬浮液置于超声波清洗机内，超声震荡10min直至所述悬浮液完全分散均匀；

步骤三.将衬底硅晶片依次经过丙酮、乙醇和超纯水分别超声清洗15min处理后并烘干；

步骤四.将步骤三处理后的衬底放入真空蒸镀系统中，抽真空至腔内压力低于5×10^-5pa后，在衬底上面开始蒸镀au电极，au电极真空蒸镀的速度为4~5å/s；

步骤五.镀膜结束后，保持真空状态下待电极冷却至室温，然后将步骤二制备的完全分散均匀的氧化石墨烯溶液旋涂至镀膜后的器件上面，然后放于烘箱中，设置温度为80℃，退火30min；

步骤六.将步骤五退火处理后的器件放入真空蒸镀系统中，抽真空至腔内压力低于5×10^-5pa之后，在器件的上面开始蒸镀au电极，au电极真空蒸镀的速度为4~5å/s；

步骤七.镀膜结束后，保持真空状态下待电极冷却至室温，最终完成制备。

实施例3

一种可控抑制型人工突触电子器件，参照图1和图2，所述人工突触电子器件包括自下而上依次设置的衬底1、第一电极2、阻变层3和第二电极4。其中，第一电极2和第二电极4用于与外部电源进行电连接，阻变层3用于实现组态之间的转换。参照图3，所述阻变层3为氧化石墨烯活性层（go），属于单层结构，具备优良的导电性能。所述衬底1为表面涂有厚度为50nm的二氧化硅层的硅片衬底。第一电极2和第二电极4均为金电极，并且厚度为50nm。氧化石墨烯活性层的厚度为1000nm，方阻为100000ω。

所述可控抑制型人工突触电子器件还设有电极引出层，分别设于第一电极2和第二电极4处，用于引出第一电极2和第二电极4，并于外部电源进行电连接；电极引出层为金属金。

所述可控抑制型人工突触电子器件的制备方法如下：

步骤一.将氧化石墨烯投入分散剂甲醇中制成悬浮液，氧化石墨烯的浓度为20mg/ml；

步骤二.将步骤一制备的悬浮液置于超声波清洗机内，超声震荡10min直至所述悬浮液完全分散均匀；

步骤三.将衬底硅晶片依次经过丙酮、乙醇和超纯水分别超声清洗15min处理后并烘干；

步骤四.将步骤三处理后的衬底放入真空蒸镀系统中，抽真空至腔内压力低于5×10^-5pa后，在衬底上面开始蒸镀au电极，au电极真空蒸镀的速度为4~5å/s；

步骤五.镀膜结束后，保持真空状态下待电极冷却至室温，然后将步骤二制备的完全分散均匀的氧化石墨烯溶液旋涂至镀膜后的器件上面，然后放于烘箱中，设置温度为80℃，退火30min；

步骤六.将步骤五退火处理后的器件放入真空蒸镀系统中，抽真空至腔内压力低于5×10^-5pa之后，在器件的上面开始蒸镀au电极，au电极真空蒸镀的速度为4~5å/s；

步骤七.镀膜结束后，保持真空状态下待电极冷却至室温，最终完成制备。

实施例4

将实施例3中制备的可控抑制型人工突触电子器件在周期正负电压下扫描，操作电压分别为+6v和-6v，操作过程为升压至+6v然后降压到−6v再回到+6v进行周期循环，绘制出电流-电压特性曲线示意图，参照图4，器件的伏安曲线是不经过零点的回滞曲线，具有特殊的物理意义，该器件的非线性物理机制，可以用来调控实现所需要的目标功能。

将实施例3中制备的可控抑制型人工突触电子器件在周期正电压下扫描，操作电压为+8v，回扫电压的下边界为+6v，操作过程为升压到+8v然后降到+6v再升压至+8v进行周期循环，绘制出电流-电压特性曲线示意图，参照图5，极化能随着正向电压的扫描逐渐增加，随着回扫电压+8v到+6v再到+8v的扫描又缓慢的降低，而且这种逐渐降低的回滞曲线与神经抑制有着同样的机理。

将实施例3中制备的可控抑制型人工突触电子器件在周期正电压下扫描，操作电压为+8v，回扫电压的下边界为+4v，操作过程为升压到+8v然后降到+4v再升压至+8v进行周期循环，绘制出电流-电压特性曲线示意图，参照图6，极化能随着正向电压的扫描逐渐增加，随着回扫电压+8v到+4v再到+8v的扫描，曲线有所重叠，表示器件对之前输入信号具有记忆功能，可以部分回复之前的状态。

将实施例3中制备的可控抑制型人工突触电子器件在周期正电压下扫描，操作电压为+8v，回扫电压的下边界为0v，操作过程为升压到+8v然后降到0v再升压至+8v进行周期循环，绘制出电流-电压特性曲线示意图，参照图7，极化能随着正向电压的扫描逐渐增加，随着回扫电压+8v到0v再到+8v的扫描，曲线基本完全重叠，表示器件对之前输入信号具有记忆功能。神经突触实际上可以看作是两端式的器件，它具有独特的非线性传输特性。神经元之间的连接强度决定着传递的效率，它可以动态的随刺激信号或抑制信号的训练而改变，并且保持连续变化的状态。

将该器件内部离子传输变化抽取一个物理量极化能，内部极化能随着0~+8v的电压扫描逐渐增加，在施加完这一刺激后，随着+8~+6v的扫描缓慢释放；当给予+8~+4v的扫描时，特性曲线呈现局部的重叠，在下一个+4~+8v的扫描下意味着较弱的外部刺激更容易极化能的恢复；最后在0~+8~0v的扫描下，实现了可逆的完全恢复。这种功能依赖性的模式不同于不可逆的单极扫描，并且这种每一次的电压扫描电流都是呈现指数式增加或减小，说明这不是一个单纯的电容行传导行为，而是一个具有像神经突触一样，随着外部刺激的不断变化，自适应调整并回复原状态的过程。

由上可知，本发明所涉及到的基于可控抑制的氧化石墨烯人工突触器件具有典型的神经突触特点，在可调范围（-15v~+15v）内进行调节整个神经活动，器件性能优良，稳定性好，产率高，而且制备过程操作简单，成本低廉，节约能源，绿色环保，可大规模制备的特点，有利于大规模推广研究。