一种聚两性离子凝胶基有机电化学突触器件及其制备方法和应用

本发明属于有机电化学晶体管和神经形态电子器件领域，具体涉及一种聚两性离子凝胶基有机电化学突触器件及其制备方法和应用。

背景技术：

1、有机电化学晶体管是一类依靠离子和电子耦合输运实现信号调控的半导体器件，通常包括基底、源极、漏极、栅极、电解质、绝缘层和有机半导体沟道。栅极与有机半导体沟道通过电解质形成离子电路，源极、漏极与有机半导体沟道形成电子电路。施加栅极电压时，电解质中的离子可进入或离开有机半导体沟道，引起沟道的体相电化学掺杂或去掺杂，从而在较低工作电压下实现较大的沟道电流调制。

2、有机电化学晶体管中的离子迁移、界面极化和沟道电导变化与生物突触中的离子传递及突触权重调节过程具有相似性，因此可用于模拟兴奋性突触后电流、双脉冲易化、短时程可塑性和长时程可塑性等功能。然而，现有有机电化学突触晶体管通常采用水溶液电解质或普通离子凝胶。水溶液电解质存在挥发、泄漏、封装困难及阵列集成不便等问题；普通离子凝胶虽然能够实现固态化，但其内部自由离子的迁移、滞留和弛豫行为难以有效调控，器件的响应速度、保持时间、电导更新线性和循环稳定性难以兼顾。

3、聚两性离子材料的重复单元同时含有固定正电荷基团和固定负电荷基团，整体呈电中性，并可与外加离子通过静电作用、离子缔合、溶剂化及局域配位产生可逆相互作用。将聚两性离子网络与非挥发性离子液体结合，有望在保持较高离子含量的同时调节离子的迁移、积累、滞留和释放过程，从而为有机电化学晶体管提供多时间尺度的电导调控能力。

4、因此，有必要提供一种结构稳定、易于集成且能够调控离子迁移和弛豫过程的聚两性离子凝胶基有机电化学突触器件，以实现可重复的短时程可塑性、长时程增强/抑制、学习-遗忘和关联学习，并进一步用于生物电信号处理和神经形态计算。

技术实现思路

1、为解决上述技术不足，本发明提供一种聚两性离子凝胶基有机电化学突触器件及其制备方法。

2、为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种聚两性离子凝胶基有机化学突触器件，包括基底层、电极层、沟道层，所述电极层包括源极、漏极和栅极，还包括聚两性离子凝胶介电层，所述聚两性离子凝胶介电层设于所述沟道层上方并至少覆盖沟道层，且连接沟道层与栅极，在栅极和沟道层之间构筑离子传输通道。

4、进一步优化，所述聚两性离子凝胶介电层采用聚两性离子凝胶前驱体溶液经光引发聚合交联反应制备而成，所述聚两性离子凝胶前驱体溶液包括以下重量百分比的原料：两性离子单体15%～35%、离子液体50%～70%、交联剂8%～20%和光引发剂0.3%～2.0%。

5、进一步优化，所述电极层和沟道层均设于所述基底层上方，源极与漏极分别布设在沟道层的两侧，且源极、漏极上方分别覆盖绝缘层。

6、进一步优化，所述两性离子单体选自[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]二甲基-（3-磺丙基）铵内盐、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱中的至少一种；

7、所述离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑双（三氟甲磺酰）亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸盐中的至少一种；

8、所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯；

9、所述光引发剂选自2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮中的至少一种。

10、进一步优化，所述沟道层采用聚[3,3′-双[2-[2-（2-甲氧基乙氧基）乙氧基]乙氧基]-2,2′:5′,2″-三联噻吩-5,5″-二基]（p(g2t-t)）；

11、所述基底层选用硅片、玻璃基底或柔性聚合物基底中的任意一种；所述栅极为银/氯化银电极、金电极、铂电极中的任意一种。

12、第二方面，本发明提供一种聚两性离子凝胶基有机化学突触器件的制备方法，包括以下步骤：

13、（1）在带有光刻胶图形的基底表面依次制备铬薄膜和金薄膜，成型得到包括源极和漏极的电极层；

14、（2）在承载电极层的基底表面制备绝缘层，并对沟道对应区域进行处理，将有机半导体溶液涂覆在沟道区域表面，经退火处理形成沟道层；

15、（3）将聚两性离子凝胶前驱体溶液涂覆在含有绝缘层、沟道层和电极层的基底表面，经紫外光交联固化，形成聚两性离子凝胶介电层；

16、（4）将栅极和聚两性离子凝胶介电层对接装配，最终制得聚两性离子凝胶基有机化学突触器件。

17、进一步优化，所述有机半导体溶液由聚[3,3′-双[2-[2-（2-甲氧基乙氧基）乙氧基]乙氧基]-2,2′:5′,2″-三联噻吩-5,5″-二基]溶于有机溶剂制备得到，溶液浓度为8 mg/ml。

18、进一步优化，所述有机溶剂选自氯仿、氯苯和邻二氯苯中的至少一种。

19、进一步优化，所述紫外光的波长为365～405 nm，照射功率为100～500 mw，照射时间为10~6000 s。

20、第三方面，本发明提供一种聚两性离子凝胶基有机化学突触器件在神经形态计算、生物电信号处理中的应用。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

22、（1）本发明制备的有机电化学晶体管采用聚两性离子凝胶作为固态介电层，所述聚两性离子凝胶由两性离子单体、离子液体、交联剂和光引发剂经光引发聚合交联形成。与传统液态电解质相比，所述聚两性离子凝胶具有较好的形态稳定性和非挥发性，可有效降低液态电解质易挥发、易泄漏以及器件封装和集成困难等问题，有利于提高有机电化学晶体管的操作稳定性和器件集成能力。同时，聚两性离子凝胶能够与有机半导体沟道形成稳定的离子传输界面，为固态有机电化学突触器件的构筑提供了一种新的技术方案。

23、（2）本发明将聚两性离子凝胶与可发生体相电化学掺杂的p(g2t-t)有机半导体沟道相结合，在栅极电压作用下，凝胶中的离子能够迁移至有机半导体沟道并调节沟道的电化学掺杂状态，从而实现沟道电导的连续调控。通过调节栅极脉冲的幅值、宽度、频率、间隔和脉冲数量，可改变参与沟道掺杂的离子数量及其弛豫过程，使器件表现出双脉冲易化、短时程可塑性、短时程向长时程可塑性的转变、学习-遗忘、长时程增强和长时程抑制等多种突触行为。相较于仅具有单一开关功能的传统晶体管，本发明所述器件能够实现多时间尺度的动态信息存储和可塑性调节，为模拟生物突触的学习和记忆过程提供了一种有效的器件平台。

1.一种聚两性离子凝胶基有机化学突触器件，包括基底层、电极层、沟道层，所述电极层包括源极、漏极和栅极，其特征在于，还包括聚两性离子凝胶介电层，所述聚两性离子凝胶介电层设于所述沟道层上方并至少覆盖沟道层，且连接沟道层与栅极，在栅极和沟道层之间构筑离子传输通道。

2.根据权利要求1所述的一种聚两性离子凝胶基有机化学突触器件，其特征在于，所述聚两性离子凝胶介电层采用聚两性离子凝胶前驱体溶液经光引发聚合交联反应制备而成，所述聚两性离子凝胶前驱体溶液包括以下重量百分比的原料：两性离子单体15%～35%、离子液体50%～70%、交联剂8%～20%和光引发剂0.3%～2.0%。

3.根据权利要求1所述的一种聚两性离子凝胶基有机化学突触器件，其特征在于，所述电极层和沟道层均设于所述基底层上方，源极与漏极分别布设在沟道层的两侧，且源极、漏极上方分别覆盖绝缘层。

4.根据权利要求1所述的一种聚两性离子凝胶基有机化学突触器件，其特征在于，所述两性离子单体选自[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]二甲基-（3-磺丙基）铵内盐、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱中的至少一种；

5.根据权利要求1所述的一种聚两性离子凝胶基有机化学突触器件，其特征在于，所述沟道层采用聚[3,3′-双[2-[2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基]乙氧基]-2,2′:5′,2″-三联噻吩-5,5″-二基]（p(g2t-t)；

6.一种聚两性离子凝胶基有机化学突触器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述有机半导体溶液由聚[3,3′-双[2-[2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基]乙氧基]-2,2′:5′,2″-三联噻吩-5,5″-二基]溶于有机溶剂制备得到，溶液浓度为8 mg/ml。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂选自氯仿、氯苯和邻二氯苯中的至少一种。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述紫外光的波长为365～405 nm，照射功率为100～500 mw，照射时间为10～6000 s。

10.根据权利要求1-5任一项所述的一种聚两性离子凝胶基有机化学突触器件在神经形态计算、生物电信号处理中的应用。