一种基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件的制作方法

本发明涉及电子器件领域，特别是基于p3ht超薄膜的三端人造突触电子器件。

背景技术：

人脑模式的计算体系将成为未来信息技术发展的一个重要方向，将有可能超越以往的二进制计算体系所使用的冯-诺伊曼型存储器。而构建这个体系需要数以百万亿计的神经仿生电子器件来形成类神经网络。因此，模拟数量如此庞大的神经突触成为构建人造神经网络的至关重要的一步，是神经形态学技术发展和实现人造大脑的重要基础。

在中枢神经中，突触是将神经元连接成网络，并负责信号的传递。哺乳动物的神经突触多为化学突触，是两个神经元之间形成的单向通信机制。神经信息的流向是从突触前细胞到突触后细胞。突触通常形成在突触前细胞的轴突和突触后细胞的细胞体或树突之间。在常见的突触中，从突触后细胞的细胞膜上伸出一个称为突棘的突起物，与突触前细胞的轴突相对，形成一个宽约20nm的空隙，成为突触间隙。突触是大脑学习和记忆的最基本和最重要的组成部分之一，其具有可塑性。一次性较弱的刺激使突触连接实现几妙到几分钟的突触强度的暂时加强，即短期可塑性(short-termplasticity,stp)或短期记忆现象的出现，通过重复或较强刺激增强突触连接则可实现神经突触长期变化或能够永久保持的可塑性(long-termplasticity,ltp)或长期记忆现象的实现。这些重要神经突触功能是人脑记忆，认知，计算，学习等基础。

虽然早在1958年挑战冯-诺曼的神经形态学计算概念已经被提出，然而模拟一个神经突触功能经常需要多于10个晶体管，因此只适用于比较简单的系统。直到2010年前后相应的神经突触仿生电子器件的研究才真正开始。主要以研究无机材料在这方面的应用为主。多种基于薄膜晶体管，碳纳米管(cnt)晶体管，存储器件，忆阻器等基本结构的与神经突触功能具有一些相似特性的电子器件逐渐被报道。

最近,具有晶体管结构的神经突触仿生电子器件表现出与神经突触类似的功能和行为。晶体管结构的神经突触仿生电子器件可以同时接收多个栅极发出的信号并进行加成处理，可以真正模拟一个神经元从其他多个相连接的神经元接收信号并进行传导的功能，而且可以实现超低的能耗，具有非常光明的前景。

本研究将对基于高分子半导体二维材料/离子胶复合体的人造神经突触仿生电子器件进行高分子薄膜微结构与神经仿生电子器件性能关系的系统性研究。得到具有科学指导意义的具有规律性的结论，其对本领域器件材料选择与设计方面具有重要的指导意义。

技术实现要素：

本发明的上述目的是通过基于p3ht超薄膜的三端神经仿生电子器件的制备来实现的。

本发明的技术方案如下:

一种基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件，所述人造突触器件由栅极，离子胶，半导体层和源极/漏极组成。

所述电脉冲信号通过栅极作用到离子胶层，模拟前神经元产生的神经冲动以动作电位的形式传出并通过轴突的分枝到达突触前膜的过程。在突触前穗的作用下，离子发生迁移，在离子胶/p3ht超薄膜的结合体中，负电压的电脉冲导致部分阴离子迅速聚集于p3ht超薄膜周围，使超薄膜中电流强度产生变化。

所述载流子传输沟道为p3ht超薄膜，源极和漏电极为金，模拟突触后膜。外界脉冲刺激使沟道电导发生变化，电导的变化相当于突触权重的改变；

所述离子胶由三嵌段聚合物ps-pmma-ps和[emim][tfsi]离子组成，作为离子传递的媒介，模拟突触间隙提供离子迁移的空间；在外界作用下可迅速迁移的离子则在一定程度上把突触前膜接收到的信号传递，引起突触后膜相应的电位和电流变化，在一定程度上模拟了神经递质的作用。

所述半导体层为p3ht超薄膜，所述超薄膜和所述离子胶的相互作用(形成对于结晶区和无定形区域离子注入)，形成短长程可塑性的清晰可辨。

进一步地，所述长程记忆：可以使离子注入p3ht高分子半导体结晶区域，离子在高分子半导体中的溶解度较低,相对难以扩散出来，因此能够保持较长时间的掺杂作用，使器件实现长程可塑性(ltp)。

本发明的特色与创新之处在于：1)创新的采用高分子二维超薄膜代替传统的薄膜,2)制作出的突触器件实现对于生物突触功能的基本模拟。

本发明首次利用二维共轭聚合物构建突触器件，并且所述的突触器件可以实现对于生物突触功能的基本模拟，包括但不限于兴奋性突触后电流(epsc),双脉冲易化(ppf),短程可塑性向长程转变(stptoltp)，突触增强与抑制(potentiationanddepression),自稳可塑性(homeostaticplasticity)。

本发明的有益效果为:本发明设计了可能具有生物突触可塑性以及生物突触功能的类场效应管结构p3ht超薄膜三端人造突触器件。通过对所设计的p3ht超薄膜突触器件进行电学表征，证明实验所得的器件具有很好的双脉冲易化特性，短程向长程可塑性转变，兴奋与抑制，自稳特性。对于实现智能机器的记忆与学习有非常重要的意义。

附图说明

图1是基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件的结构示意图

图2是基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件在源极接地，漏极电压为-0.1v，栅极电压为-3v，脉冲持续时间为180ms条件下的兴奋性突触后电流

图3是基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件在源极接地，漏极电压为-0.1v，栅极电压为-3v，脉冲持续时间为180ms，脉冲间隔为540ms条件下的双脉冲易化

图4是基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件在源极接地，漏极电压为-0.1v，栅极电压为-3v，脉冲持续时间为45ms，脉冲间隔为45ms,90ms,135ms,180ms,225ms条件下的双脉冲易化

图5是基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件在漏极电压为-0.1v，栅极电压为-3v，连续200个脉冲刺激，脉冲持续时间为45ms，脉冲间隔时间为45ms条件下的短、长时程可塑性

图6是基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件在漏极电压为-0.1v，连续10,15,20,30个-3v和+3v脉冲刺激，脉冲持续时间为45ms，脉冲间隔时间为45ms条件下的兴奋与抑制

图7是基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件在源极接地，漏极电压为-0.1v，栅极电压为从-3v到-4.5v的刺激下表现出的自稳特性

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明提供的一种基于类场效应管结构的人造突触器件来实现神经信号在突触间传递的模拟，以sio2/si为衬底，金薄层作为源漏电极，以p3ht超薄膜作为导电沟道，用ps-pmma-ps和离子液体制成离子胶。该神经电子器件的工作原理为：电脉冲信号通过栅极作用到离子胶层，模拟前神经元产生的神经冲动以动作电位的形式传出并通过轴突的分枝到达突触前膜的过程。在突触前穗的作用下，离子发生迁移，在离子胶/p3ht超薄膜的结合体中，负电压的电脉冲导致部分阴离子迅速聚集于p3ht超薄膜周围，使超薄膜中电流强度产生变化。

所述p3ht超薄膜突触仿生器件的制备主要包括：在sio2/si为衬底的p3ht超薄膜上进行金电极蒸镀、离子胶滴涂。

进一步地，在sio2/si为衬底的p3ht超薄膜上蒸镀金电极。取出50μm厚自主设计掩模版，将其平整地贴合于硅片sio2表面。将pi耐热胶带切为小段，贴在掩模版与硅片界面。将贴合掩模版的硅片排列在玻璃平板表面，用pi耐热胶带固定。将玻璃板倒置放入蒸金设备。

进一步地，进行离子胶滴涂。在超净间内迅速将ps-pmma-ps与[emim][tfsi]混合溶液滴至导电沟道上方源漏电极之间。将器件放置于真空烘箱，打开真空泵，抽真空2小时后关闭真空泵。过夜后再抽真空1小时后关闭真空泵，缓慢放气，取出离子胶并将其放置于氮气手套箱测试。

图2是基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件在源极接地，漏极电压为-0.1v，栅极电压为-3v，脉冲持续时间为180ms条件下的兴奋性突触后电流。如图3所示，在施加一个-3v负脉冲，出现增强趋势，但是在撤去电压脉冲后，源漏电流呈现出电流水平明显高于未加刺激的水平，可塑性较强。

图3，图4是基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件的双脉冲易化特性。如图3是在源极接地，漏极电压为-0.1v，栅极电压为-3v，脉冲持续时间为180ms，脉冲间隔为540ms条件下的双脉冲易化。当施加第2个脉冲刺激时呈现出第2个突触后电流明显比第1个刺激产生的电流增强的现象，在生物学中称为双脉冲易化。在该器件中，由于第一次刺激导致的离子的迁移并没有完全恢复，在第2次刺激时表现为总的聚集离子数变多，因而空穴载流子增加，电流变大。图4是基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件在源极接地，漏极电压为-0.1v，栅极电压为-3v，脉冲持续时间为45ms，脉冲间隔为45ms,90ms,135ms,180ms,225ms条件下的双脉冲易化。

图5是基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件的短程向长程可塑性的转变。图5基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件在漏极电压为-0.1v，栅极电压为-3v，连续200个脉冲刺激，脉冲持续时间为45ms，脉冲间隔时间为45ms条件下的短程向长程可塑性的转变过程。说明超过一定脉冲刺激数量时，超薄膜表面无定形区域离子的注入已经饱和，此时离子的动态变化表现为在结晶区的注入和排出，此过程速度较慢，因此幅度变小。因此可以通过这种超薄膜的器件来表征由短程向长程转变的特征值。图5中在施加连续电压，突触后膜电流依旧变化，没有呈现出饱和状态，没有达到突触权重变化的极限，说明该器件存储态非常高，大于200个存储态。

图6是基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件的兴奋与抑制。图6是基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件在漏极电压为-0.1v，连续10,15,20,30个-3v和+3v脉冲刺激，脉冲持续时间为45ms，脉冲间隔时间为45ms条件下的兴奋与抑制。兴奋与抑制是对突触模拟的重要功能。

图7是基于p3ht超薄膜的三端人造突触器件在源极接地，漏极电压为-0.1v，栅极电压为从-3v到-4.5v的刺激下表现出的自稳特性。当电压小于3.9v时呈现出增强，大于3.9v时呈现出抑制的状态。类似于生物体中负反馈调节，当刺激增加到一定数值时，为了维持内环境的稳态，负反馈调节使其逐渐恢复到平衡值，维持自身的稳定。

本发明设计了可能具有生物突触可塑性以及生物突触功能的类场效应管结构p3ht超薄膜三端人造突触器件。通过对所设计的p3ht超薄膜突触器件进行电学表征，证明实验所得的器件具有很好的双脉冲易化特性，短程向长程可塑性转变，兴奋与抑制，自稳特性。对于实现智能机器的记忆与学习有非常重要的意义。