基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件及调控方法

1.本发明属于类脑计算技术领域，具体涉及基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件及调控方法。


背景技术：

2.随着大数据时代的高速发展，人们对信息存储和处理的速度要求越来越高，人们期望未来信息处理的方式能像人脑一样进行自主的学习和思考，很多采用非冯诺依曼体系结构的计算机，比如量子计算机和人工神经网络，应运而生。相较于传统的基于冯诺伊曼架构的计算机，生物大脑拥有极高的灵活性，处理信息的高速性，并行性和低功耗等特性。因此，开发人工智能、利用电子器件构建人工神经网络，从信息处理的角度对人脑神经网络进行抽象的模拟成为了新一代计算机系统研究的热点。在生物大脑中，神经网络是由大量的神经元通过错综复杂的联系构成的，这些神经元之间发生联系的部位称为神经突触，神经元负责处理信息，而突触负责传递信息。要研制类脑芯片，首先需要制备出能够模仿神经突触行为的仿生器件，传统的办法是使用多个晶体管和电容器相结合的方式来模拟一个突触，而生物大脑中神经突触的数量多达10
14
～10
15
个，利用传统手段制造的神经形态芯片，其器件的能耗将达到～7gw，而实际人脑工作功耗仅为20-35w，显然，无论是从功耗还是密度上说都是无法满足实际需求的。因此，如何设计低功耗，低面积，高速且易于集成的电子突触器件就显得格外重要，成为近年来的研究热点与重点。
3.近年研究发现，模拟型忆阻器的阻态随着电压的扫描呈连续型变化，且忆阻器下一时刻的电阻值是建立在上一时刻的电阻值之上变化的，因此具有记忆功能，这种独特的电学性质类似于神经突触的非线性传输特性，除此之外忆阻器件还具备非易失，纳米级的尺寸大小，低功耗等优势，被认为是功能最接近于神经突触的器件。
4.人工神经突触器件从激励手段上分主要有两大类：电子型突触器件和光电子型突触器件。电子型突触器件通常采用电脉冲模拟神经元接受的外部激励信号，可用于深度学习、记忆神经的模拟；而光电子型突触器件采用光脉冲的方式，可用于视觉系统的模拟。目前，很少有人工神经突触器件同时具有电激励和光激励的特性，极大的限制了人工神经突触器件的应用范围。此外，关于铁电突触器件的报道仍以电子型突触器件为主，随着研究的深入发现这类器件的抗疲劳特性和稳定性往往受铁电材料的性质影响，这主要是由于当铁电材料厚度降低后其铁电性不稳定，容易受到外界的电信号的干扰，且在电场的作用下离子容易迁移导致铁电性的破坏。


技术实现要素：

5.为了改进上述现有技术的缺陷，本发明公开一种基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件及调控方法，该忆阻神经突触器件同时具有电激励和光激励的特性，且制作成本低、工艺简单，可同时用于深度学习、记忆神经的模拟和视觉系统的模拟，丰富了器件的功能性，具有极大的应用价值。此外，由于采用全光激励的方式，忆阻神经突触器件的抗疲劳特
性和稳定性得到了很大的提高。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.本发明公开了一种基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件，包括从上到下的衬底、底电极、功能层、顶电极，功能层为二维原子晶体铁电材料cuinp2s6，具有室温的面外铁电极化。
8.作为进一步地改进，本发明所述的衬底为285nm sio2基底或300nm sio2基底，顶电极为二维原子晶体材料，厚度为单层或少层。
9.作为进一步地改进，本发明所述的功能层厚度为大于4nm，底电极为金属材料，厚度为20nm～50nm。
10.作为进一步地改进，本发明所述的功能层为25nm，底电极为au材料，厚度为30nm。
11.作为进一步地改进，本发明所述的顶电极为石墨烯，厚度为单层石墨烯。
12.一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的制备方法，包括以下步骤：
13.(1)在sio2基底上采用光刻定义底电极的图形，然后蒸镀au薄层，作为器件的底电极；
14.(2)采用干法转移的方式将二维单晶铁电材料转移到步骤1)所制备好的au底电极上，作为器件的功能层；
15.(3)采用干法转移的方式将二维单层石墨烯材料转移到步骤2)所制备好的功能层上，作为器件的顶电极。
16.作为进一步地改进，本发明所述的步骤1)具体为：采用紫外光刻或电子束光刻的方法定义底电极图形，然后采用热争渡的方法制备au底电极。
17.作为进一步地改进，本发明所述的采用机械剥离的方法制备二维单层石墨烯材料和二维少层铁电材料。
18.本发明还公开了一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的调控方法，采用电激励方式，具体为：通过在基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的底电极接地，顶电极输入多个相同脉冲的正直流电压使器件的电流逐渐升高，电导值逐渐增大，模拟实现忆阻神经突触器件的长程可塑性功能，相反，在顶电极输入多个相同脉冲的负直流电压使器件的电流逐渐降低，电导值逐渐减小，模拟实现忆阻神经突触器件的长程抑制性功能。
19.本发明还公开了一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的调控方法，采用光激励方式，具体为：通过在基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的底电极接地，当顶电极输入正直流电压使器件切换到低电阻状态，然后采用多个紫外激光脉冲照射器件的结区，器件的零偏压光电流逐渐减小，光电导值逐渐减小，模拟实现忆阻神经突触器件的长程抑制性功能，相反，当顶电极输入负直流电压使器件切换到高电阻状态，然后采用多个紫外激光脉冲照射器件的结区，器件的零偏压光电流逐渐增加，电导值逐渐增加，模拟实现忆阻神经突触器件的长程可塑性功能。
20.本发明的有益效果如下：
21.本发明的一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件包括：衬底、底电极、功能层、顶电极，其结构简单，制作成本低、工艺简单。由于该功能层采用单晶二维原子晶体铁电材料cuinp2s6，其具有室温的面外铁电性，在连续电脉冲的激励下，cuinp2s6的极
化强度可逐渐改变，且其极化方向可随施加的电脉冲方向的改变而改变；同时，在cuinp2s6不同的极化方向下，cuinp2s6对紫外激光具有不同的光响应，即其零偏压光电流的方向和其极化方向有关。因此，该忆阻神经突触器件同时具有电激励和光激励的特性，可同时用于深度学习、记忆神经的模拟和视觉系统的模拟，丰富了器件的功能性，可实现更加复杂的仿生功能。此外，由于采用全光激励的方式，忆阻神经突触器件的抗疲劳特性和稳定性得到了很大的提高。
附图说明
22.图1为本发明基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的结构示意图；
23.图2为本发明基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件高低电阻态转变的电流-电压特性曲线图；
24.图3为本发明基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件在电激励下的忆阻特性曲线图；
25.图4为本发明基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件在紫外激光激励下的忆阻特性曲线图；
26.图中，1、衬底，2、底电极，3、功能层，4、顶电极，5、紫外激光。
具体实施方式
27.本发明公开了一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件及制备方法及调控方法。铁电材料因自身极化电场的存在而具有独特的光伏性能,铁电光伏效应能在无外场及无空间不均匀性的条件下自发地导致光生电子与空穴分离，从而产生零偏压光电流(移位电流)，这种奇特的铁电光伏效应使得铁电材料在新型太阳能电池、低功耗纳米器件、光电探测和非易失存储等诸多方面具有广泛的应用。一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件由下至上依次包括衬底1、底电极2、功能层3、顶电极4。
28.上述忆阻神经突触器件中，衬底1为285nm sio2基底或300nm sio2基底，也可以是pet等柔性衬底1材料。
29.底电极2为金属材料，如常规的au、pt、w、al、pd等，优选au材料，厚度为20nm～50nm，优选30nm。
30.功能层3为单晶二维原子晶体铁电材料cuinp2s6，具有室温的面外铁电极化，厚度为大于4nm，优选为25nm。
31.顶电极4为二维原子晶体材料，或其它常规透明电极如ito，优选石墨烯，厚度为单层或少层，优选单层石墨烯。
32.一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的制备方法，包括以下步骤：
33.(4)在sio2基底上采用紫外光刻或电子束光刻定义底电极2的图形，然后采用蒸镀或磁控溅射的方法制备au薄层，作为器件的底电极2；
34.(5)采用机械剥离的方法制备二维少层cuinp2s6铁电材料，采用干法转移的方式将二维单晶铁电材料转移到步骤(1)所制备好的au底电极2上，作为器件的功能层3；
35.(6)采用机械剥离的方法制备单层或少层石墨烯材料，采用干法转移的方式将二维单层或少层石墨烯材料转移到步骤(2)所制备好的功能层3上，作为器件的顶电极4；
36.一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的调控方法，包括以下两方面：
37.(1)采用电激励方式：
38.通过在一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的底电极2接地，顶电极4输入多个相同脉冲的正直流电压使忆阻神经突触器件功能层3的铁电极化逐渐增强，整个器件的电流逐渐升高，电导值逐渐增大，将电导值视为忆阻神经突触器件的权重值，即可模拟实现忆阻神经突触器件的长程可塑性功能。相反地，在顶电极4输入多个相同脉冲的负直流电压使器件功能层3的铁电极化逐渐减弱，整个器件的电流逐渐降低，电导值逐渐减小，模拟实现忆阻神经突触器件的长程抑制性功能。
39.(2)采用光激励方式
40.通过在一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的底电极2接地，当顶电极4输入正直流电压，当施加的正电压超过cuinp2s6铁电的矫顽场时，可使器件切换到低电阻状态，然后采用连续多个紫外激光5脉冲照射器件的结区，器件的零偏压光电流将逐渐减小，光电导值逐渐减小，此时将光电导值视为忆阻神经突触器件的权重值，即可模拟实现忆阻神经突触器件的长程抑制性功能。相反地，当顶电极4输入负直流电压，当施加的负电压超过cuinp2s6铁电的矫顽场时，可使忆阻神经突触器件切换到高电阻状态，然后采用连续多个紫外激光5脉冲照射器件的结区，器件的零偏压光电流将逐渐增加，电导值逐渐增加，模拟实现忆阻神经突触器件的长程可塑性功能。
41.下面结合附图，通过具体实施例进一步说明本发明。
42.如图1所示，一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件，包括从下到上的衬底1、底电极2、功能层3、顶电极4。
43.底电极2、功能层3、顶电极4依次设置在衬底1上表面。
44.上述忆阻神经突触器件中，衬底1为285nm sio2基底或300nm sio2基底，也可以是pet等柔性衬底1材料。
45.底电极2为金属材料，如常规的au、pt、w、al、pd等，优选au材料，厚度为20nm～50nm，优选30nm。
46.功能层3为单晶二维原子晶体铁电材料cuinp2s6，具有室温的面外铁电极化，厚度为大于4nm，优选为25nm。
47.顶电极4为二维原子晶体材料，或其它常规透明电极如ito，优选石墨烯，厚度为单层或少层，优选单层石墨烯。
48.本发明一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的制备方法，具体包括以下步骤：
49.(1)将285nm sio2基底依次用无水乙醇和去离子水超声5分钟，然后氮气吹干，得到干净预处理后的衬底1。
50.(2)在衬底1上采用紫外光刻或电子束光刻定义底电极2的图形。
51.(3)采用热蒸镀或磁控溅射的方法制备30nmau薄层，作为器件的底电极2；
52.(4)将块体cuinp2s6单晶置于蓝膜胶带上，将蓝膜胶带对折后撕开，如此反复直到蓝膜胶带上粘有微量的cuinp2s6，然后将蓝膜胶带粘到pdms膜上，轻轻按压后撕开蓝膜胶带，在显微镜下找到大小和厚度都合适cuinp2s6薄层。
53.(5)采用干法转移的方式将二维单晶铁电材料转移到步骤(3)所制备好的au底电极2上，作为器件的功能层3；
54.(6)将块体石墨烯单晶置于蓝膜胶带上，将蓝膜胶带对折后撕开，如此反复直到蓝膜胶带上粘有微量的石墨烯，然后将蓝膜胶带粘到pdms膜上，轻轻按压后撕开蓝膜胶带，在显微镜下找到大小合适且单层或少层的石墨烯。
55.(7)采用干法转移的方式将二维单层或少层石墨烯材料转移到步骤(5)所制备好的功能层3上，作为器件的顶电极4；
56.(8)在底电极2和顶电极4上涂抹少许导电银浆后粘上au线，静置或置于100度加热台加热10分钟致使银胶充分凝固后，得到基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件。
57.以下结合图示2具体阐述本发明一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的高低阻态特性。
58.通过在上述一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件底电极2接地，顶电极4输入正直流电压，并设置合理的限制电流防止器件由于电流过大而损坏，当施加的正电压超过cuinp2s6铁电材料的阈值电压后，则器件将从高阻态转变为低阻态。
59.器件处于低阻态时，对应的电导很高，可采用这种状态下的忆阻神经突触器件来模拟生物突触连接强度强、突触权重值大的情况。
60.通过在上述一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件底电极2接地，顶电极4输入负直流电压，并设置合理的限制电流，当施加的负电压超过cuinp2s6铁电材料极化翻转的阈值电压后，则器件将从低阻态转变为高阻态。
61.器件处于高阻态时，对应的电导很低，可采用这种状态下的忆阻神经突触器件来模拟生物突触连接强度弱、突触权重值小的情况。
62.以下结合图示3具体阐述本发明一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的电激励方法。
63.通过在一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的底电极2接地，顶电极4输入多个相同脉冲的正直流电压使忆阻神经突触器件功能层3的铁电极化逐渐增强，整个器件的电流逐渐升高，电导值逐渐增大，将器件的电导值视为忆阻神经突触器件的权重值，即可模拟实现忆阻神经突触器件的长程可塑性功能。相反地，在顶电极4输入多个相同脉冲的负直流电压使器件功能层3的铁电极化逐渐减弱极化方向逐渐翻转，整个器件的电流逐渐降低，电导值逐渐减小，模拟实现忆阻神经突触器件的长程抑制性功能。
64.以下结合图示4具体阐述所本发明述一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的光激励方法。
65.通过在一种基于二维cuinp2s6铁电材料的忆阻神经突触器件的底电极2接地，当顶电极4输入正直流电压，当施加的正电压超过cuinp2s6铁电的矫顽场时，可使器件切换到低电阻状态，然后采用连续多个紫外激光5脉冲照射器件的结区，器件的零偏压光电流逐渐减小，光电导值逐渐减小，此时将光电导值视为忆阻神经突触器件的权重值，即可模拟实现忆阻神经突触器件的长程抑制性功能。相反地，当顶电极4输入负直流电压，当施加的负电压超过cuinp2s6铁电的矫顽场时，可使忆阻神经突触器件切换到高电阻状态，然后采用连续多个紫外激光5脉冲照射器件的结区，器件的零偏压光电流逐渐增加，电导值逐渐增加，模拟实现忆阻神经突触器件的长程可塑性功能。
66.本领域普通技术人员可以理解，以上仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。