一种具备纳米沟道的人工突触器件的制备方法

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1.本发明属于电子器件领域，特别涉及具备纳米沟道的人工突触电子器件。


背景技术：

2.神经形态学工程是设计和制造具有与人类大脑高度相似的高度并行计算的非生物运算系统的重要手段。人工神经形态学系统以极高的预算速度和效率模拟人脑的认知、记忆、计算等多种复杂功能。随着电子和信息技术的发展，计算机仍在体积、运算速度、运行效率等方面不及人脑。因此，制造与大脑结构类似，功能相近的计算机可能是未来发展的一个重要方向。
3.相互连接的神经元构成了大脑的神经系统，这使得大脑可以实时的处理各种复杂的外部问题并对问题进行决策，同时大脑也能够将外界信息进行存储记忆。生物神经系统启发的神经形态工程系统引起了对机器人和假肢的广泛研究。其中，基于极小尺寸(微米级)和低能耗(每个突触事件10fj)的优势，来自人类突触的千万亿级大脑基本单位可以处理复杂情况下的大部分信息，因此，类脑电路或电子设备最近引起了很多关注。有机核-鞘纳米线阵列人工突触在结构上与生物突触异常相似，可拉伸或光电突触装置具有出色的短期/长期可塑性和柔性稳定性。然而，这些毫米级的器件太大而无法与生物突触相媲美，突触晶体管的微米级通道无法与纳米级的生物突触间隙相媲美。导致突触晶体管的能量消耗不可能取得突破，进而阻碍了人工神经网络的发展。实现类脑神经形态网络迫切需要开发小尺寸和低能耗的突触晶体管。
4.基于此问题导向，我们通过自主研发的数码可控纳米线打印技术，把功能性导电墨水印制到具有半导体层的基材以形成电子元器件的导电沟道，具有操作简单、成本低、个性化、绿色环保、等优点，解决了现有的技术所制备的人工突触器件在尺寸限制方面的问题，大大降低了生产成本，提高了材料利用率。


技术实现要素：

5.本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种数码可控打印人工突触器件纳米沟道的方法。该方法以聚乙烯基咔唑和苯乙烯混合制得前驱体溶液，然后利用高分辨率电流体喷印设备在制备好的半导体层上打印出纳米线阵列，经蒸镀电极之后利用高温胶带将所制备的纳米阵列沿金属电极边缘撕下，得到纳米沟道。本发明制备的纳米沟道尺寸可控，排列整齐，可以应用于小尺寸电子器件，解决了现有技术制备电子器件尺寸限制的问题，具有操作简单、工艺简便、可大规模制备的优点，并且具备纳米沟道的人工突触器件的能量消耗被大大降低。
6.本发明的技术方案为：
7.一种具备纳米沟道的人工突触器件的制备方法，其特征为该方法包括如下步骤：
8.(1)将衬底经丙酮和异丙醇(ipa)依次超声清洗；再用异丙醇热蒸汽熏蒸衬底表面5秒～3分钟，然后用n2将其表面吹干；
9.(2)将步骤(1)所得衬底用紫外臭氧清洗，之后在衬底上制备半导体层，其中，半导体层的厚度为50～500nm；
10.(3)将聚乙烯基咔唑与苯乙烯混合，常温搅拌1-12h，得到前驱体溶液；其中，聚乙烯基咔唑的质量分数为3％-6％；
11.(4)利用电流体喷印设备将前驱体溶液在半导体层上打印，得到纳米线阵列；
12.其中，注射器针头其中，注射器针头和接收面之间的电压为0.8～5kv、注射器针头距基板的距离为2～6mm，将注射器针头出液流量设置为1～50nl/min，将基板运动速度设置为200～800mm/s；
13.得到的纳米线的直径为50～5000nm，纳米线阵列的间距为500～5000μm。
14.(5)蒸镀电极，利用掩模版在步骤(4)所制得的纳米线阵列表面蒸镀金属电极；
15.其中，金属电极为金电极或铝电极，厚度为80-150nm，金属电极宽3-5mm，长6-10mm。
16.(6)利用胶带将纳米线揭下，从而得到具有纳米沟道的人工突触器件。
17.所述的胶带优选为聚酰亚胺材质。
18.本发明的有益效果为：
19.本发明通过数码可控打印人工突触器件纳米沟道的方法，以聚乙烯基咔唑和苯乙烯混合制得前驱体溶液，然后利用高分辨率电流体喷印设备在制备好的半导体层上打印出纳米线阵列，经蒸镀电极之后利用高温胶带将所制备的纳米阵列沿金属电极边缘撕下，得到纳米沟道。与传统的制备导电沟道的方法不同，本发明不需要具有特定沟道图案的掩模版，可以通过调节前驱体溶液的浓度、打印时的参数等对纳米线的尺寸进行调控，从而得到不同长宽比的纳米沟道；本发明可以应用于具有小尺寸、低功耗要求的电子器件，解决了现有技术制备电子器件尺寸限制的问题，具有操作简单、工艺简便、可大规模制备的优点。
附图说明：
20.图1为实施例1中在所打印的纳米线阵列表面蒸镀金属电极之后得到的器件的横截面示意图；
21.图2为实施例1中利用胶带将金属电极覆盖的纳米线撕下之后得到的具有纳米沟道的人工突触器件的结构示意图；
22.图3为实施例1中在半导体层上所制得的纳米线阵列的扫描电子显微镜图；
23.图4为实施例1中蒸镀金属电极之后得到的2500倍率下纳米沟道的扫描电子显微镜图；
24.图5为实施例1中蒸镀金属电极之后得到的140000倍率下纳米沟道的扫描电子显微镜图；
25.图6为实施例1中具备纳米沟道的人工突触器件与具备常规导电沟道的人工突触器件的突触后电流性能比较，脉冲幅值为4v；
26.其中，1为衬底，2为半导体层，3为金属电极，4为打印的纳米线，5为纳米沟道。
27.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
具体实施方式：
28.实施例1：
29.(1)将2.0
×
2.0cm2的si/sio2衬底放入丙酮溶液中超声清洗15min，再将其放入异丙醇(ipa)溶液中超声清洗15min，然后将ipa加热至沸腾，用ipa热蒸汽熏蒸衬底表面1分钟，然后用n2枪将其表面吹干；
30.(2)在搅拌下将二乙醇胺(2.45ml)和钛酸四丁酯(5.1ml)依次溶解在无水乙醇(33.6ml)中，然后搅拌2h。然后向溶液中加入无水乙醇(5ml)和超纯水(0.45ml)，并将混合物进一步搅拌2h，然后静置24h；得到透明的tio2前体溶胶；
31.(3)将所得2.0
×
2.0cm2的si/sio2衬底置于紫外臭氧清洗机中处理20min，用移液枪取100μl的tio2前体溶胶于所得的全部喷涂衬底上，以3000r
·
min-1
的转速旋涂30s，在旋涂结束后将其置于马弗炉中，在500℃下煅烧60min后冷却至室温，在硅衬底上获得tio2薄膜(即半导体层)，厚度约为50nm，整个旋涂的过程在氮气手套箱中进行；
32.(4)将聚乙烯基咔唑与苯乙烯混合，常温搅拌4h，得到前驱体溶液；其中，聚乙烯基咔唑的质量分数为3.5％；
33.(5)利用电流体喷印设备(e-jet)将混合溶液数码可控的在所制得的半导体层上打印纳米线阵列，控制注射器针头和接收面之间的电压为1.2kv、注射器针头距基板的距离为2.5mm，将注射器针头出液流量设置为20nl/min，将基板运动速度设置为300mm/s；得到的纳米线阵列中，纳米线的直径为500nm，纳米线阵列的间距为1500μm，纳米线的长度为2.0cm；
34.(6)利用掩模版在上步得到的器件的纳米线阵列表面蒸镀一个厚80nm，宽3mm，长10mm的金电极，如图1所示；其中，金电极的长度方向垂直于纳米线的方向，如图2所示。
35.(7)利用宽度为3mm的胶带从金属电极的边起向外、沿纳米线的方向贴附在纳米线上，然后将胶带从远离金属电极的一端自外向内沿金属电极边撕下，即将半导体层上的纳米线阵列上的纳米线一根根剥离(金属电极覆盖住的纳米线在剥离时，上面覆盖的金也连带线状撕下)，每一根剥离掉的纳米线之后的空槽形成一个导电沟道(薄半导体，起导电作用)，纳米线两边的金属分别作为源漏电极，得到具有纳米线沟道的人工突触器件。
36.所得到的人工突触器件的结构从下到上依次为衬底、tio2薄膜(半导体层)，tio2薄膜上分布有导电沟道(阵列)，每条导电沟槽两侧的上表面为源、漏金属电极。
37.所述的胶带具体为聚酰亚胺材质的金手指耐高温胶带，粘性佳，服帖性好，短期耐温300℃，长期耐温250℃。
38.图3为实施例1中在半导体层上所制得的纳米线阵列的扫描电子显微镜图，可以看出所打印的纳米线阵列排布均匀，纳米线之间间距约为1500微米，直径约为500nm。
39.图4和图5分别为不同倍率下蒸镀金属电极之后通过胶带将纳米线撕下之后得到的纳米沟道的扫描电子显微镜图，可以看出所制备的纳米沟道宽度均匀，约为500nm。
40.图6为具备纳米沟道的人工突触器件与具备普通导电沟道的人工突触器件(沟道长为40μm，宽为1500μm，需要通过专门图案的掩膜板得到)的突触后电流性能比较。可以看出，在受到相同脉冲幅值(4v)时，与具备常规导电沟道的人工突触器件相比较，本发明所制备的具有纳米沟道的人工突触器件需要驱动电压为前述器件的百分之一(0.01v)，其所产生的突触后电流的数值约为前述器件的150倍，这是由于所得到的纳米导电沟道的长宽比
比较大，沟道电阻较小导致的结果，因此在收到脉冲刺激时，能够在小驱动电压下产生较大的电流。其中，上述人工突触器件性能由型号为keithley4200a-scs的半导体分析仪测试得出。
41.实施例2：
42.(1)将2.0
×
2.0cm2的si/sio2衬底放入丙酮溶液中超声清洗15min，再将其放入异丙醇(ipa)溶液中超声清洗15min，然后将ipa加热至沸腾，用ipa热蒸汽熏蒸衬底表面1分钟，然后用n2枪将其表面吹干；
43.(2)在搅拌下将二乙醇胺(2.45ml)和钛酸四丁酯(5.1ml)依次溶解在无水乙醇(33.6ml)中，然后搅拌2h。然后向溶液中加入无水乙醇(5ml)和超纯水(0.45ml)，并将混合物进一步搅拌2h，然后静置24h；得到透明的tio2前体溶胶；
44.(3)将所得2.0
×
2.0cm2的si/sio2衬底置于紫外臭氧清洗机中处理20min，用移液枪取100μl的tio2前体溶胶于所得的全部喷涂衬底上，以3000r
·
min-1
的转速旋涂30s，在旋涂结束后将其置于马弗炉中，在500℃下煅烧60min后冷却至室温，在硅衬底上获得tio2薄膜，厚度约为50nm，整个旋涂的过程在氮气手套箱中进行；
45.(4)将聚乙烯基咔唑与苯乙烯混合，常温搅拌6h，得到前驱体溶液；其中，聚乙烯基咔唑的质量分数为4.5％；
46.(5)利用电流体喷印设备(e-jet)将混合溶液数码可控的在所制得的半导体层上打印纳米线阵列，控制注射器针头和接收面之间的电压为2.0kv、注射器针头距基板的距离为3mm，将注射器针头出液流量设置为50nl/min，将基板运动速度设置为400mm/s，得到的纳米线阵列中，纳米线的直径为550nm，纳米线阵列的间距为2000μm，纳米线的长度为2.0cm；
47.(6)利用掩模版在上步得到的器件纳米线阵列表面蒸镀一个厚80nm，宽3mm，长10mm的金电极；
48.(7)利用宽度为3mm的胶带从金属电极的边起向外、沿纳米线的方向贴附在纳米线上，然后将胶带从远离金属电极的一端自外向内沿金属电极边撕下，即将半导体层上的纳米线阵列上的纳米线一根根剥离(金属电极覆盖住的纳米线在剥离时，上面覆盖的金也连带线状撕下)，每一根剥离掉的纳米线之后的空槽形成一个导电沟道(薄半导体，起导电作用)，纳米线两边的金属分别作为源漏电极，得到具有纳米线沟道的人工突触器件。
49.所得到的人工突触器件的结构从下到上依次为衬底、tio2薄膜(半导体层)，tio2薄膜上分布有导电沟道(阵列)，每条导电沟槽两侧的上表面为源、漏金属电极。
50.所述的胶带具体为聚酰亚胺材质的金手指耐高温胶带，粘性佳，服帖性好，短期耐温300℃，长期耐温250℃。
51.实施例3：
52.(1)将2.0
×
2.0cm2的si/sio2衬底放入丙酮溶液中超声清洗15min，再将其放入异丙醇(ipa)溶液中超声清洗15min，然后将ipa加热至沸腾，用ipa热蒸汽熏蒸衬底表面1分钟，然后用n2枪将其表面吹干；
53.(2)在搅拌下将二乙醇胺(2.45ml)和钛酸四丁酯(5.1ml)依次溶解在无水乙醇(33.6ml)中，然后搅拌2h。然后向溶液中加入无水乙醇(5ml)和超纯水(0.45ml)，并将混合物进一步搅拌2h，然后静置24h；得到透明的tio2前体溶胶；
54.(3)将所得2.0
×
2.0cm2的si/sio2衬底置于紫外臭氧清洗机中处理20min，用移液
枪取100μl的tio2前体溶胶于所得的全部喷涂衬底上，以3000r
·
min-1
的转速旋涂30s，在旋涂结束后将其置于马弗炉中，在500℃下煅烧60min后冷却至室温，在硅衬底上获得tio2薄膜，厚度约为50nm，整个旋涂的过程在氮气手套箱中进行；
55.(4)将聚乙烯基咔唑与苯乙烯混合，常温搅拌8h，得到前驱体溶液；其中，聚乙烯基咔唑的质量分数为6.0％
56.(5)利用电流体喷印设备(e-jet)将混合溶液数码可控的在所制得的半导体层上打印纳米线阵列，控制注射器针头和接收面之间的电压为2.2kv、注射器针头距基板的距离为2.5mm，将注射器针头出液流量设置为80nl/min，将基板运动速度设置为300mm/s，得到的纳米线阵列中，纳米线的直径为800nm，纳米线阵列的间距为2000μm，纳米线的长度为2.0cm；
57.(6)利用掩模版在上步得到的器件纳米线阵列表面蒸镀一个厚80nm，宽3mm，长10mm的金电极；
58.(7)利用宽度为3mm的利用宽度为3mm的胶带从金属电极的边起向外、沿纳米线的方向贴附在纳米线上，然后将胶带从远离金属电极的一端自外向内沿金属电极边撕下，即将半导体层上的纳米线阵列上的纳米线一根根剥离(金属电极覆盖住的纳米线在剥离时，上面覆盖的金也连带线状撕下)，每一根剥离掉的纳米线之后的空槽形成一个导电沟道(薄半导体，起导电作用)，纳米线两边的金属分别作为源漏电极，得到具有纳米线沟道的人工突触器件。
59.所得到的人工突触器件的结构从下到上依次为衬底、tio2薄膜(半导体层)，tio2薄膜上分布有导电沟道(阵列)，每条导电沟槽两侧的上表面为源、漏金属电极。
60.所述的胶带具体为聚酰亚胺材质的金手指耐高温胶带，粘性佳，服帖性好，短期耐温300℃，长期耐温250℃。
61.本发明未尽事宜为公知技术。