一种基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件制造技术

本发明专利技术提供了一种基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件。通过设计类场效应管结构的P3HT超薄膜人造突触电子器件来实现神经信号在突触间传递的模拟。通过对所述P3HT超薄膜突触电子器件进行电学表征，证明所述的突触器件可以实现对于生物突触功能的基本模拟，包括兴奋性突触后电流(EPSC),双脉冲易化(PPF),短程可塑性向长程转变(STP to LTP)，突触增强与抑制(Potentiation and Depression),自稳可塑性(Homeostatic Plasticity)等。得出半导体超薄膜微结构与神经仿生电子器件性能关系的规律性结论，为突触器件长短程可塑性的调节提供理论指导。

A Three-terminal Artificial Synaptic Device Based on P3HT Ultra-thin Film

【技术实现步骤摘要】
一种基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件
本专利技术涉及电子器件领域，特别是基于P3HT超薄膜的三端人造突触电子器件。
技术介绍
人脑模式的计算体系将成为未来信息技术发展的一个重要方向，将有可能超越以往的二进制计算体系所使用的冯-诺伊曼型存储器。而构建这个体系需要数以百万亿计的神经仿生电子器件来形成类神经网络。因此，模拟数量如此庞大的神经突触成为构建人造神经网络的至关重要的一步，是神经形态学技术发展和实现人造大脑的重要基础。在中枢神经中，突触是将神经元连接成网络，并负责信号的传递。哺乳动物的神经突触多为化学突触，是两个神经元之间形成的单向通信机制。神经信息的流向是从突触前细胞到突触后细胞。突触通常形成在突触前细胞的轴突和突触后细胞的细胞体或树突之间。在常见的突触中，从突触后细胞的细胞膜上伸出一个称为突棘的突起物，与突触前细胞的轴突相对，形成一个宽约20nm的空隙，成为突触间隙。突触是大脑学习和记忆的最基本和最重要的组成部分之一，其具有可塑性。一次性较弱的刺激使突触连接实现几妙到几分钟的突触强度的暂时加强，即短期可塑性(short-termplasticity,STP)或短期记忆现象的出现，通过重复或较强刺激增强突触连接则可实现神经突触长期变化或能够永久保持的可塑性(long-termplasticity,LTP)或长期记忆现象的实现。这些重要神经突触功能是人脑记忆，认知，计算，学习等基础。虽然早在1958年挑战冯-诺曼的神经形态学计算概念已经被提出，然而模拟一个神经突触功能经常需要多于10个晶体管，因此只适用于比较简单的系统。直到2010年前后相应的神经突触仿生电子器件的研究才真正开始。主要以研究无机材料在这方面的应用为主。多种基于薄膜晶体管，碳纳米管(CNT)晶体管，存储器件，忆阻器等基本结构的与神经突触功能具有一些相似特性的电子器件逐渐被报道。最近,具有晶体管结构的神经突触仿生电子器件表现出与神经突触类似的功能和行为。晶体管结构的神经突触仿生电子器件可以同时接收多个栅极发出的信号并进行加成处理，可以真正模拟一个神经元从其他多个相连接的神经元接收信号并进行传导的功能，而且可以实现超低的能耗，具有非常光明的前景。本研究将对基于高分子半导体二维材料/离子胶复合体的人造神经突触仿生电子器件进行高分子薄膜微结构与神经仿生电子器件性能关系的系统性研究。得到具有科学指导意义的具有规律性的结论，其对本领域器件材料选择与设计方面具有重要的指导意义。
技术实现思路
本专利技术的上述目的是通过基于P3HT超薄膜的三端神经仿生电子器件的制备来实现的。本专利技术的技术方案如下:一种基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件，所述人造突触器件由栅极，离子胶，半导体层和源极/漏极组成。所述电脉冲信号通过栅极作用到离子胶层，模拟前神经元产生的神经冲动以动作电位的形式传出并通过轴突的分枝到达突触前膜的过程。在突触前穗的作用下，离子发生迁移，在离子胶/P3HT超薄膜的结合体中，负电压的电脉冲导致部分阴离子迅速聚集于P3HT超薄膜周围，使超薄膜中电流强度产生变化。所述载流子传输沟道为P3HT超薄膜，源极和漏电极为金，模拟突触后膜。外界脉冲刺激使沟道电导发生变化，电导的变化相当于突触权重的改变；所述离子胶由三嵌段聚合物PS-PMMA-PS和[EMIM][TFSI]离子组成，作为离子传递的媒介，模拟突触间隙提供离子迁移的空间；在外界作用下可迅速迁移的离子则在一定程度上把突触前膜接收到的信号传递，引起突触后膜相应的电位和电流变化，在一定程度上模拟了神经递质的作用。所述半导体层为P3HT超薄膜，所述超薄膜和所述离子胶的相互作用(形成对于结晶区和无定形区域离子注入)，形成短长程可塑性的清晰可辨。进一步地，所述长程记忆：可以使离子注入P3HT高分子半导体结晶区域，离子在高分子半导体中的溶解度较低,相对难以扩散出来，因此能够保持较长时间的掺杂作用，使器件实现长程可塑性(LTP)。本专利技术的特色与创新之处在于：1)创新的采用高分子二维超薄膜代替传统的薄膜,2)制作出的突触器件实现对于生物突触功能的基本模拟。本专利技术首次利用二维共轭聚合物构建突触器件，并且所述的突触器件可以实现对于生物突触功能的基本模拟，包括但不限于兴奋性突触后电流(EPSC),双脉冲易化(PPF),短程可塑性向长程转变(STPtoLTP)，突触增强与抑制(PotentiationandDepression),自稳可塑性(HomeostaticPlasticity)。本专利技术的有益效果为:本专利技术设计了可能具有生物突触可塑性以及生物突触功能的类场效应管结构P3HT超薄膜三端人造突触器件。通过对所设计的P3HT超薄膜突触器件进行电学表征，证明实验所得的器件具有很好的双脉冲易化特性，短程向长程可塑性转变，兴奋与抑制，自稳特性。对于实现智能机器的记忆与学习有非常重要的意义。附图说明图1是基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件的结构示意图图2是基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件在源极接地，漏极电压为-0.1V，栅极电压为-3V，脉冲持续时间为180ms条件下的兴奋性突触后电流图3是基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件在源极接地，漏极电压为-0.1V，栅极电压为-3V，脉冲持续时间为180ms，脉冲间隔为540ms条件下的双脉冲易化图4是基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件在源极接地，漏极电压为-0.1V，栅极电压为-3V，脉冲持续时间为45ms，脉冲间隔为45ms,90ms,135ms,180ms,225ms条件下的双脉冲易化图5是基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件在漏极电压为-0.1V，栅极电压为-3V，连续200个脉冲刺激，脉冲持续时间为45ms，脉冲间隔时间为45ms条件下的短、长时程可塑性图6是基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件在漏极电压为-0.1V，连续10,15,20,30个-3V和+3V脉冲刺激，脉冲持续时间为45ms，脉冲间隔时间为45ms条件下的兴奋与抑制图7是基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件在源极接地，漏极电压为-0.1V，栅极电压为从-3V到-4.5V的刺激下表现出的自稳特性具体实施方式：下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步的详细说明。如图1所示，为本专利技术提供的一种基于类场效应管结构的人造突触器件来实现神经信号在突触间传递的模拟，以SiO2/Si为衬底，金薄层作为源漏电极，以P3HT超薄膜作为导电沟道，用PS-PMMA-PS和离子液体制成离子胶。该神经电子器件的工作原理为：电脉冲信号通过栅极作用到离子胶层，模拟前神经元产生的神经冲动以动作电位的形式传出并通过轴突的分枝到达突触前膜的过程。在突触前穗的作用下，离子发生迁移，在离子胶/P3HT超薄膜的结合体中，负电压的电脉冲导致部分阴离子迅速聚集于P3HT超薄膜周围，使超薄膜中电流强度产生变化。所述P3HT超薄膜突触仿生器件的制备主要包括：在SiO2/Si为衬底的P3HT超薄膜上进行金电极蒸镀、离子胶滴涂。进一步地，在SiO2/Si为衬底的P3HT超薄膜上蒸镀金电极。取出50μm厚自主设计掩模版，将其平整地贴合于硅片SiO2表面。将PI耐热胶带切为小段，贴在掩模版与硅片界面。将贴合掩模版的硅片排列在玻璃平板表面，用PI耐热胶带固本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件，其特征在于：所述人造突触器件由栅极，源极/漏极，离子胶和半导体层组成；所述电脉冲信号通过栅极作用到离子胶层，模拟前神经元产生的神经冲动以动作电位的形式传出并通过轴突的分枝到达突触前膜的过程。在突触前穗的作用下，离子发生迁移，在离子胶/P3HT超薄膜的结合体中，负电压的电脉冲导致部分阴离子迅速聚集于P3HT超薄膜周围，使超薄膜中电流强度产生变化。

【技术特征摘要】
1.一种基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件，其特征在于：所述人造突触器件由栅极，源极/漏极，离子胶和半导体层组成；所述电脉冲信号通过栅极作用到离子胶层，模拟前神经元产生的神经冲动以动作电位的形式传出并通过轴突的分枝到达突触前膜的过程。在突触前穗的作用下，离子发生迁移，在离子胶/P3HT超薄膜的结合体中，负电压的电脉冲导致部分阴离子迅速聚集于P3HT超薄膜周围，使超薄膜中电流强度产生变化。2.根据权利要求1所述的基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件，其特征在于，所述P3HT超薄膜作为载流子传输沟道，与源极和漏电极模拟突触后膜；外界脉冲刺激使沟道电导发生变化，电导的变化相当于突触权重的改变。3.根据权利要求1所述的基于P3HT超薄膜的三端人造突触器件，其特征在于，所述离子胶由三嵌段聚合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐文涛，韩弘，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津,12