具有双脉冲易化特性的忆阻器件及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有双脉冲易化特性的忆阻器件及其制备方法，所述忆阻器件包括位于中部的阻变层，以及分别设置在所述阻变层顶部、底部的顶电极、底电极，所述顶电极和底电极均与外部电源电连接，所述底电极、阻变层与所述衬底的形状、尺寸一一匹配；所述阻变层包括介质层和敷设在该介质层上方的Mxene材料膜，所述顶电极通过掩膜板的开孔溅射在所述Mxene材料膜的顶部，所述底电极的顶部、底部分别与所述介质层、衬底相触接。该忆阻器件的导电性和稳定性佳，可实现突触功能的仿生，具有广阔的应用前景；此外，本发明专利技术的制备方法简便、高效，成本低，可广泛用于工业生产。

【技术实现步骤摘要】
具有双脉冲易化特性的忆阻器件及其制备方法
本专利技术涉及一种忆阻器件及其制备方法，具体涉及一种具有双脉冲易化特性的忆阻器件及其制备方法，属于类脑器件

技术介绍
忆阻器（Memristor），由英文单词Memoryresistors构词而来，是一种具有“记忆”功能的阻变器件，其阻值会随着流经的电荷量而改变，且在关掉电源后保持其阻态，即能“记忆”先前通过的电荷量。忆阻器的实现依靠的物理机制主要有：导电细丝机制、边界迁移机制、相变机制、质子迁移机制等。随着对忆阻器这一新型元件的深入研究，忆阻器在非易失性存储器、人工神经网络、混沌、信号处理和模式识别等领域广泛应用。忆阻器在生物突触仿生方面的应用，属于神经领域的应用范畴。大数据时代的到来让人工智能焕发生机，但传统计算机的速度远不能满足如今大数据处理的需求，即出现“冯·诺依曼瓶颈”。众多研究表明，在冯·诺依曼结构的计算机上编程来实现类似人脑的学习、记忆和联想等功能，需要消耗巨大的资源，效果不尽如人意。因此，必须超越冯·洛伊曼架构信息处理方式，研究类人脑的计算架构才有希望实现真正的、具有实用意义的人工智能。人脑含有大量的神经元（neuron）和神经突触（synapse），具有优越的信息处理能力，例如集信号的存储和计算功能于一体、可以并行工作，擅长于自我学习和适应，而在功能强大的还同时具备超低功耗的特点。“神经形态（neuromorphic）”的概念由C.Mead提出，本意为基于大规模集成电路模拟神经系统的架构。神经形态计算正是从人脑独特而优越的信息存储和处理方式中得到灵感而研发的一种新型计算架构。神经形态系统就是指用硬件结合软件的方法，构造的以突触和神经元为基本单元的类脑计算系统，硬件包括数字、模拟、数模混合大规模集成电路。神经形态系统的结构包括简单的运算单元、分布式存储和运算、高度互连的网络，较适合模拟生物神经网络的行为。由于忆阻器具有可塑性、模拟行为、非易失性、纳米级尺寸和低功耗等的独特性质，忆阻器成为构造电子人工突触的有力候选器件，其研究进展推进着电子突触的设计，有利于人工电子突触的实现。突触的可塑性是指突触功能或形态可发生改变的特性，即突触的连接强度会随着不同的刺激加强或减弱。在细胞水平上，突触可塑性被公认为学习和记忆的生物学基础，对突触可塑性的仿生即为人工神经网络研究的关键一步。短时程的突触可塑性会对LTP（长时程增强）或LTD（长时程抑制）等更长持续时程的突触可塑性形式产生影响，因此重点仿生短时程可塑性即可。而短时程可塑性也有较多表现形式，基于实验室目前的测试条件，选择测试信号方便实现的双脉冲易化（paired-pulsefacilitation，PPF）特性进行仿生。持续时间在数十到几百毫秒的突触权值的增加，称为易化。双脉冲易化特性的生物学解释是，在第一个刺激作用于突触期间，Ca2+通过电压门控Ca2+通道进入突触前终末。虽然之后Ca2+通道关闭，但残留的Ca2+会使得Ca2+浓度水平升高。当第二刺激作用时，由于Ca2+浓度较第一次高，提高了神经递质的释放概率，因此突触后反应得以增强。
技术实现思路
针对现有技术的改进需求或研发需求，本专利技术提供了一种具有双脉冲易化特性的忆阻器件及其制备方法，该忆阻器件的导电性和稳定性佳，可实现突触功能的仿生，具有广阔的应用前景；此外，本专利技术的制备方法简便、高效，成本低，可广泛用于工业生产。为实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：一方面，本专利技术提供一种具有双脉冲易化特性的忆阻器件，设置在衬底上，所述忆阻器件包括位于中部的阻变层，以及分别设置在所述阻变层顶部、底部的顶电极、底电极，所述顶电极和底电极均与外部电源电连接，所述底电极、阻变层与所述衬底的形状、尺寸一一匹配；所述阻变层包括介质层和敷设在该介质层上方的Mxene材料膜，所述顶电极通过掩膜板的开孔溅射在所述Mxene材料膜的顶部，所述底电极的顶部、底部分别与所述介质层、衬底相触接。进一步地，所述介质层为二氧化硅层，所述二氧化硅层的厚度为80nm。进一步地，所述顶电极为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种。进一步地，所述顶电极的厚度为100nm。进一步地，所述底电极为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种。进一步地，所述底电极的厚度为90nm。进一步地，所述衬底为硅衬底层。另一方面，本专利技术提供一种上述具有双脉冲易化特性的忆阻器件的制备方法，包括如下步骤：S1）真空环境下，将衬底固定在溅射系统的靶枪上，选取底电极材料作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积底电极，底电极均匀、完全覆盖在衬底上表面；S2）保持步骤S1的真空环境，更换介质层溅射源，在所述底电极的上表面均匀、完全溅射出介质层；S3）取Mxene和去离子水按照1:200的质量比混合，搅拌5min-15min，制得Mxene悬浊液；S4）吸取步骤S3中Mxene悬浊液的上层浊清液，滴在步骤S2的介质层上，通过甩胶机旋涂1min-3min，使得介质层的上表面均匀覆盖一Mxene材料膜，制得阻变层；S5）将步骤S4旋涂后制得的阻变层烘干后，固定在溅射靶枪上，并在阻变层顶部安装掩模板，选取顶电极材料的溅射源，并溅射沉积得到顶电极，从而制备获得具有双脉冲易化特性的忆阻器件。进一步地，所述甩胶机的转速为3500r/min。再一方面，本专利技术提供一种结构为铜/MXene/二氧化硅/钨、具有双脉冲易化特性的忆阻器件的制备方法，包括如下步骤：S1）真空环境下，将硅衬底固定在溅射系统的靶枪上，选取钨作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积得到厚度为90nm的钨电极，钨电极均匀、完全覆盖在硅衬底的上表面；S2）保持步骤S1的真空环境，更换二氧化硅溅射源，在钨电极的上表面均匀、完全溅射出厚度为80nm的二氧化硅介质层；S3）取Mxene和去离子水按照1:200的质量比混合，搅拌10min，制得Mxene悬浊液；S4）吸取步骤S3中Mxene悬浊液的上层浊清液，滴在二氧化硅介质层上，通过甩胶机旋涂2min，甩胶机转速为3500r/min，使得二氧化硅介质层的上表面均匀覆盖一Mxene材料膜，从而制得阻变层；S5）将步骤S4旋涂后制得的阻变层烘干后，固定在溅射靶枪上，并在阻变层顶部安装掩模板，选取铜作为溅射源，并在掩模板开孔处溅射沉积得到厚度为100nm的铜电极，从而制备获得结构为铜/MXene/二氧化硅/钨、具有双脉冲易化特性的忆阻器件。与已有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提供的具有双脉冲易化特性的忆阻器件及其制备方法，主要通过在其氧化物介质层上溅射镀上一层Mxene膜构成阻变层，Mxene膜覆盖在二氧化硅层上表面，利于增强导电细丝的形成，使得忆阻器件获得更佳的导电性和稳定性，溅射镀得的Mxene膜使得忆阻器件的电阻值连续可变且变化受控可调，即可实现突触功能的仿生，具有广阔的应用前景；此外，本专利技术的制备方法简便、高效，成本低，可广泛用于工业生产。附图说明图1是本专利技术忆阻器件的立体结构示意图；图2是本专利技术忆阻器件在连续直流电压扫描下的I-V曲线；图3是生物突触的双脉冲易化特性示意图；图4是本专利技术忆阻器件仿生双脉冲易化的输入电压和输出电流；图5是本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有双脉冲易化特性的忆阻器件，设置在衬底上，其特征在于：所述忆阻器件包括位于中部的阻变层，以及分别设置在所述阻变层顶部、底部的顶电极、底电极，所述顶电极和底电极均与外部电源电连接，所述底电极、阻变层与所述衬底的形状、尺寸一一匹配；所述阻变层包括介质层和敷设在该介质层上方的Mxene材料膜，所述顶电极通过掩膜板的开孔溅射在所述Mxene材料膜的顶部，所述底电极的顶部、底部分别与所述介质层、衬底相触接。

【技术特征摘要】
1.一种具有双脉冲易化特性的忆阻器件，设置在衬底上，其特征在于：所述忆阻器件包括位于中部的阻变层，以及分别设置在所述阻变层顶部、底部的顶电极、底电极，所述顶电极和底电极均与外部电源电连接，所述底电极、阻变层与所述衬底的形状、尺寸一一匹配；所述阻变层包括介质层和敷设在该介质层上方的Mxene材料膜，所述顶电极通过掩膜板的开孔溅射在所述Mxene材料膜的顶部，所述底电极的顶部、底部分别与所述介质层、衬底相触接。2.根据权利要求1所述的一种具有双脉冲易化特性的忆阻器件，其特征在于：所述介质层为二氧化硅层，所述二氧化硅层的厚度为80nm。3.根据权利要求1所述的一种具有双脉冲易化特性的忆阻器件，其特征在于：所述顶电极为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种。4.根据权利要求3所述的一种具有双脉冲易化特性的忆阻器件，其特征在于：所述顶电极的厚度为100nm。5.根据权利要求1所述的一种具有双脉冲易化特性的忆阻器件，其特征在于：所述底电极为铝、钼、铌、铜、金、钯、铂、钽、钌、氧化钌、银、氮化钽、氮化钛、钨、氮化钨中的一种。6.根据权利要求5所述的一种具有双脉冲易化特性的忆阻器件，其特征在于：所述底电极的厚度为90nm。7.根据权利要求1所述的一种具有双脉冲易化特性的忆阻器件，其特征在于：所述衬底为硅衬底层。8.权利要求1所述的一种具有双脉冲易化特性的忆阻器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1）真空环境下，将衬底固定在溅射系统的靶枪上，选取底电极材料作为溅射源，通过磁控溅射仪沉积底电极，底电极均匀、完全覆盖在衬底上表面；S2）保持步骤S1的真空环境，更换介质层溅射源，在所述底电极的上表面均匀...

【专利技术属性】
技术研发人员：童祎，高斐，渠开放，张缪城，郭宇锋，万相，连晓娟，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32