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一种基于氧化锌的忆阻器及其制备方法和在制备神经突触仿生器件中的应用技术

技术编号:20568013 阅读:38 留言:0更新日期:2019-03-14 10:12
本发明专利技术提供了一种基于氧化锌的忆阻器及其制备方法和在制备神经突触仿生器件中的应用,所述忆阻器的结构从下到上依次包括FTO衬底、在所述FTO衬底上形成的ZnO中间介质层以及在所述ZnO中间介质层上形成的W电极层;所述ZnO中间介质层的厚度为10~30nm。所述W电极层由若干均匀分布在ZnO中间介质层上的直径为80~300μm的圆形电极构成。本发明专利技术提供的基于氧化锌的忆阻器是使用了宽带隙氧化物ZnO优化器件性能,在特定厚度下和制备工艺条件下,其仿生性能表现良好,具有模拟神经不应期行为的能力,且功耗降低,易于制备,使忆阻器模拟生物神经突触的可塑性性能应用前景更为广阔。

A zinc oxide-based memristor and its preparation method and application in the preparation of synaptic bionic devices

The invention provides a zinc oxide-based memristor and its preparation method and application in the preparation of synaptic bionic devices. The structure of the memristor includes a FTO substrate, a zinc oxide intermediate layer formed on the FTO substrate and a W electrode layer formed on the zinc oxide intermediate layer from bottom to top. The thickness of the zinc oxide intermediate layer is 10-30 nm. The W electrode layer is composed of a number of circular electrodes with a diameter of 80-300 microns uniformly distributed on the ZnO intermediate layer. The zinc oxide-based memristor provided by the invention uses broadband gap oxide zinc oxide to optimize device performance. Under specific thickness and preparation process conditions, the memristor has good bionic performance, the ability to simulate nerve refractory behavior, low power consumption and easy preparation, which makes the application prospect of the memristor to simulate the plasticity of biological nerve synapses broader.

【技术实现步骤摘要】
一种基于氧化锌的忆阻器及其制备方法和在制备神经突触仿生器件中的应用
本专利技术涉及忆阻器
,具体涉及一种基于氧化锌的忆阻器及其制备方法和在制备神经突触仿生器件中的应用。
技术介绍
忆阻器,是继电阻、电容、电感之后又一种新的无源电路元件。最早提出忆阻器概念的人,是华裔的科学家蔡少棠。简单说,忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值,如果把高阻值定义为“1”,低阻值定义为“0”,则这种电阻就可以实现存储数据的功能,实际上就是一个有记忆功能的非线性电阻器。在2008年,惠普实验室的研究人员制作了第一个忆阻器件,之后科学界掀起了对忆阻器的研究热潮。忆阻器是一种两端器件,因此可以高密度集成。此外,其不同电阻态之间转变很快,与CMOS工艺兼容。由于忆阻器的这些特点,使得其在信息存储和神经突触模拟方面有着独特的优势。在神经系统中,每个神经元与突触都在同步地存储并处理信息。外界刺激产生的信号输入在神经系统中传递,最终在输出响应的过程中将信息的存储和处理完善的结合在一起,这种信息存储和处理的能力与神经突触的可塑性密切相关。忆阻器作为一种具有记忆功能的非线性电阻,其阻值能够随流经的电荷量而发生变化,并在断电后保持这种变化的状态,可以认为是模拟神经突触的完美器件。目前,已有一些关于基于忆阻器的神经突触仿生器件的研究报道,但其仿生效果不太理想,功耗也较大,因此,研究一种结构简单、仿生效果好、能耗低的忆阻器对于推进神经突触仿生器件的研究具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种基于氧化锌的忆阻器,以解决现有忆阻器仿生效果不理想、功耗大的问题。本专利技术的目的之二在于提供一种基于氧化锌的忆阻器的制备方法和在制备神经突触仿生器件中的应用。本专利技术的目的之一是通过以下技术方案实现的:一种基于氧化锌的忆阻器,其结构从下到上依次包括FTO衬底、在所述FTO衬底上形成的ZnO中间介质层以及在所述ZnO中间介质层上形成的W电极层;所述ZnO中间介质层的厚度为10~30nm。所述W电极层由若干均匀分布在ZnO中间介质层上的直径为80~300μm的圆形电极构成。所述圆形电极的厚度为50~200nm。本专利技术还提供了上述基于氧化锌的忆阻器的制备方法,包括以下步骤:(a)将FTO衬底依次在丙酮、酒精和去离子水中用超声波清洗,取出后用N2吹干;(b)将FTO衬底固定到磁控溅射设备腔体的衬底台上,并将腔体抽真空至1×10-4~6×10-4Pa,向腔体内通入流量为20~75sccm的Ar和20~75sccm的O2,调整接口阀使腔体内的压强维持1~6Pa,打开控制ZnO靶材起辉的射频源,调整射频源功率为60~100W,使ZnO靶材起辉,预溅射1~5min;之后正式溅射5~20min,在FTO衬底上形成了ZnO中间介质层,所述ZnO中间介质层的厚度为10~30nm;(c)在形成ZnO中间介质层的衬底上放置掩膜版,将腔体抽真空至1×10-4~4×10-4Pa,向腔体内通入流量为20~30sccm的Ar,调整接口阀使腔体内的压强维持1~6Pa,打开控制钨靶材起辉的直流源,调整直流源功率为10~20W,使钨靶材起辉,预溅射4~6min;之后正式溅射6~10min,在ZnO中间介质层上形成W电极层。步骤(c)中,所述掩膜版上均布有直径为80~300μm的圆形孔。步骤(c)中,所述W电极层由若干均匀分布在ZnO中间介质层上的直径为80~300μm的圆形电极构成,所述圆形电极的厚度为50~200nm。本专利技术进一步提供了上述基于氧化锌的忆阻器在制备神经突触仿生器件中的应用。当施加5~15V的正向方波时,所述忆阻器具有模拟神经不应期行为的能力。本专利技术提供的基于氧化锌的忆阻器是使用了宽带隙氧化物ZnO优化器件性能,在特定厚度下和制备工艺条件下,其仿生性能表现良好,具有模拟神经不应期行为的能力,且功耗降低(器件的电阻范围为107~1010欧姆),易于制备,使忆阻器模拟生物神经突触的可塑性性能应用前景更为广阔。此外,W作为顶电极,相对于其他惰性电极,其可以通过与大气中的水分子接触而溶解,不仅有利于环保,还可以用于医疗和安全防卫领域。附图说明图1为基于氧化锌的忆阻器的结构示意图。图2为实施例2在制备忆阻器时使用的磁控溅射设备的结构示意图。图3是实施例2所制备的忆阻器的电压-电流特性图。图4为实施例2所制备的忆阻器的正向脉冲作用的神经仿生示意图。图5为实施例2所制备的忆阻器的负向脉冲作用的神经仿生示意图。图6为实施例2所制备的忆阻器的兴奋系统中不应期的神经仿生示意图。图7为对比例1所制备的忆阻器的兴奋系统中的神经仿生示意图。具体实施方式下面实施例用于进一步详细说明本专利技术,但实施例并不对本专利技术做任何形式的限定。除非特别说明,本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。实施例1如图1所示,本专利技术所提供的忆阻器,其结构包括最底层的FTO衬底1、FTO衬底1上ZnO中间介质层2以及ZnO中间介质层2上的W电极层3。其中,ZnO中间介质层2的厚度为10~30nm。W电极层3的厚度可以在50nm~200nm范围内,W电极层3由若干均匀分布在ZnO中间介质层2上的直径为80~300μm的圆形电极构成。实施例2本专利技术所提供基于氧化锌的忆阻器的制备方法包括如下步骤:(1)利用镊子将FTO衬底的表面依次用蘸取丙酮、无水乙醇的脱脂棉擦拭,擦去表面附着的灰尘等小颗粒,初步清除其表面的油污,然后将FTO衬底放在丙酮中用超声波清洗10min,然后放入酒精中用超声波清洗10min,再用夹子取出放入去离子水中用超声波清洗5min,之后取出,用N2吹干;(2)ZnO中间介质层的制备:采用如图2所示的磁控溅射设备,如图2所示,打开磁控溅射设备的腔体4,拿出压片台7,先用砂纸打磨干净至发亮,用丙酮清洗压片台表面附着的有机物,用酒精最后擦拭干净。将清洗好的基片(即FTO衬底)放在压片台7上压片,压片时保证FTO衬底稳固压在压片台7上并且压平,保证溅射时候生长薄膜均匀。将整理好的压片台7放入腔体4内的衬底台8上,固定好后关闭腔体4,对腔体4及气路抽真空至2×10-4Pa。在腔体4内压片台7(在压片台底面正中间压的是衬底,图中没有给出标识)的下方设置有两个靶台6,靶台6上用于放置靶材11。本专利技术中两个靶台6上所放置的靶材11分别为氧化锌靶材和钨靶材。氧化锌靶材由磁控溅射设备腔体外的射频源来控制其起辉。在钨靶材的靶台上方设置有可进行遮挡的第一挡板(图中未示出),在压片台7底面的衬底下方设置有可对衬底进行遮挡的第二挡板(图中未示出)。第一挡板和第二挡板均可由磁控溅射设备腔体外的相应按钮来控制其旋转。本步骤中首先由第二挡板将衬底挡住,之后通过充气阀5向腔体4内通入50sccm氩气(Ar),且O2的体积流量也为50sccm;调整机械泵与分子泵接口阀10使腔体4内的压强达到所需反应压强3Pa,打开射频源,调整射频源功率为80W,使ZnO靶材起辉,预溅射5min。预溅射是为了清洁靶材表面,所以预溅射时需要将衬底挡住,以免在衬底上形成不想要的膜层。之后打开挡板,正式溅射10min,在形成FTO衬底上形成了厚度为20nm的ZnO中间介质层;(3)生长W电极层:关闭射频源,通过进气本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于氧化锌的忆阻器,其特征在于,其结构从下到上依次包括FTO衬底、在所述FTO衬底上形成的ZnO中间介质层以及在所述ZnO中间介质层上形成的W电极层;所述ZnO中间介质层的厚度为10~30nm。

【技术特征摘要】
1.一种基于氧化锌的忆阻器,其特征在于,其结构从下到上依次包括FTO衬底、在所述FTO衬底上形成的ZnO中间介质层以及在所述ZnO中间介质层上形成的W电极层;所述ZnO中间介质层的厚度为10~30nm。2.根据权利要求1所述的基于氧化锌的忆阻器,其特征在于,所述W电极层由若干均匀分布在ZnO中间介质层上的直径为80~300μm的圆形电极构成。3.根据权利要求2所述的基于氧化锌的忆阻器,其特征在于,所述圆形电极的厚度为50~200nm。4.一种基于氧化锌的忆阻器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:(a)将FTO衬底依次在丙酮、酒精和去离子水中用超声波清洗,取出后用N2吹干;(b)将FTO衬底固定到磁控溅射设备腔体的衬底台上,并将腔体抽真空至1×10-4~6×10-4Pa,向腔体内通入流量为20~75sccm的Ar和20~75sccm的O2,调整接口阀使腔体内的压强维持1~6Pa,打开控制ZnO靶材起辉的射频源,调整射频源功率为60~100W,使ZnO靶材起辉,预溅射1~5min;之后正式溅射5~20min,在FTO衬...

【专利技术属性】
技术研发人员:闫小兵王宫任德亮
申请(专利权)人:河北大学
类型:发明
国别省市:河北,13

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