一种铁电调控的两端导电聚合物人工突触器件及制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种铁电调控的两端导电聚合物人工突触器件及制备方法和应用，其制备方法是在电极表面旋涂有导电聚合物薄膜，然后再在导电聚合物薄膜表面旋涂一层有机铁电聚合物薄膜，最后在有机铁电聚合物薄膜上热蒸发一层导体作为上电极，形成三明治的器件结构。其中所述电极为金、银、铜、铝、铟锡氧化物等导体。本发明专利技术所制备的人工突触器件能够实现生物突触相似的功能，具有低功耗、响应速度快及记忆时间长等优点。其制备方法操作步骤简单、成本低、易于实施，并且安全、环保。

A ferroelectric controlled conducting polymer artificial synapse device with two ends and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种铁电调控的两端导电聚合物人工突触器件及制备方法和应用
本专利技术涉及人工突触器件制备
，特别是一种基于导电聚合物和有机铁电聚合物的两端人工突触器件及制备方法和应用。
技术介绍
人脑是能量消耗极低的最有效的信息处理系统。其通过神经网络以并行方式存储和处理大量信号，其中突触通过调整突触权重发挥模拟逻辑，记忆和学习的功能作用。受突触的生物学功能的启发，构建人工突触装置以获得低能耗和高效率的神经形态网络已经取得了巨大的效果。自Diorio等人在1996年提出了一种基于浮栅硅晶体管的人工突触装置以来，已经构建了各种装置来模仿基于不同机制的生物突触的功能，例如金属氧化物电阻忆阻器，相变存储器，铁电器件和场-效应晶体管(FET)。这些器件都成功地模拟了生物突触的各种功能，包括长时程增强(LTP)，长期抑制(LTD)，峰值时间依赖性可塑性(STDP)和峰值速率依赖性可塑性(SRDP)。相对于无机材料来说，有机高分子材料由于其低成本、柔性、可定制性能以及与现代微电子工艺兼容等特性，在制备人工突触器件，尤其是柔性人工突触器件方面具有巨大的优势。导电聚合物(CP)具有独特的离域电子结构，其导电率可在10-9S/cm至105S/cm的范围内可控调节，在制备的有机人工突触器件方面显示出了巨大的应用前景。但是基于传统导电聚合物如PEDOT:PSS、P3HT的人工突触器件需要一层电解质层，用于提供聚合物在氧化过程中所需的掺杂阴离子，并且器件结构多为三端结构。这不仅增加了器件制备工艺的复杂性，而且器件的响应速度也受制于离子的扩散速度，导致器件较大的功耗和较慢响应速度。因此基于导电聚合物的人工突触器件在降低能耗和提高响应速度仍存在巨大挑战。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种铁电调控的两端导电聚合物人工突触器件及制备方法和应用，通过有机铁电聚合物薄膜的引入，降低器件能耗和提高响应速度。该器件能够模拟生物突触的行为，实现长时程增强(LTP)、长时程抑制(LTD)和脉冲频率依赖可塑性(SRDP)等功能，且具有功耗低、响应快、记忆时间长、制备方法简单，成本低、易于实施、安全、环保等优点。可应用于人工智能硬件和人工神经网络硬件方面的应用。实现本专利技术目的的具体技术方案是：一种铁电调控的两端导电聚合物人工突触器件的制备方法，该方法包括以下具体步骤：步骤1：对下电极进行清洗将下电极放入去离子水中超声1～3分钟，然后放入丙酮溶液中超声1～3分钟，再放入异丙醇中超声1～3分钟，最后将下电极放入真空干燥箱中干燥；步骤2：制备旋涂溶液将有机铁电聚合物溶于碳酸二乙酯溶液或丁酮溶液中，其中有机铁电聚合物的质量分数为1wt％—2.5wt％；导电聚合物溶液溶于水或碳酸二乙酯溶液中；步骤3：导电聚合物薄膜和有机铁电聚合物薄膜的旋涂用滴管取导电聚合物溶液，滴加在旋转的步骤1所清洗过的电极基片上，旋转速度为500r/s-4000r/s,制备导电聚合物薄膜；然后在旋转速度为500r/s-3000r/s的范围内，滴加有机铁电聚合物溶液，在导电聚合物薄膜上制备有机铁电聚合物薄膜；步骤4：退火将步骤3中制备好的器件放入真空干燥箱中，在135℃下退火4小时；步骤5：制备人工突触器件在步骤4所制得的有机铁电聚合物薄膜上热蒸镀一层导体作为上电极，制得所述的人工突触器件；其中：所述有机铁电聚合物为聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)；导电聚合物为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT∶PSS)或聚苯胺；所述上、下电极为导体；所述导电聚合物薄膜的厚度为1纳米至100微米；有机铁电聚合物的厚度为1纳米至100微米。一种上述方法制得的人工突触器件。所述人工突触器件为：在下电极上旋涂一层导电聚合物薄膜和有机铁电聚合物作为功能层，再在功能层上热蒸镀一层导体作为上电极，形成三明治结构的两端人工突触器件。一种上述的人工突触器件在人工智能硬件和人工神经网络硬件方面的应用。与现有技术相比，本专利技术有益效果：在本专利技术中利用有机铁电聚合物薄膜的铁电极化内建电场来控制维持施加在导电聚合物薄膜上的电压，控制的电子和空穴注入，从而简化器件结构，降低器件能耗和提高响应速度。本专利技术中的铁电调控的两端导电聚合物人工突触器件，与需要相对高电压以诱导导电细丝形成或离子扩散的其他忆阻装置相比，该突触可以通过有机铁电聚合物极化后形成较大的内建电场来控制的电子和空穴注入，并能够维持多个连续电导状态。该器件模拟了重要的生物突触功能，包括EPSC，SRTP和LTP、LTD等。其制备方法操作步骤简单，原料易得，成本低，耗能少，效率高，易于实施；整个制备过程安全、环保。附图说明图1为本专利技术实施例1制备基于导电聚合物PEDOT∶PSS和有机铁电聚合物PVDF的人工突触器件的结构示意图；图2为本专利技术实施例1制备得到的基于导电聚合物PEDOT∶PSS和有机铁电聚合物PVDF的人工突触器件I-V图；图3为本专利技术实施例1制备得到的基于导电聚合物PEDOT∶PSS和有机铁电聚合物PVDF的人工突触器件的突触后电流(EPSC)的衰减时间示意图；图4为本专利技术实施例1制备得到的基于导电聚合物PEDOT∶PSS和有机铁电聚合物PVDF的人工突触器件的脉冲频率依赖可塑性(SRDP)；图5为本专利技术实施例1制备得到的基于导电聚合物PEDOT∶PSS和有机铁电聚合物PVDF的人工突触器件的长时增强(LTP)和抑制(LTD)的过程示意图；图6为本专利技术实施例1制备得到的基于导电聚合物PEDOT∶PSS和有机铁电聚合物PVDF的人工突触器件在任意脉冲幅值下调节增强和抑制的过程示意图。具体实施方式下面结合具体实施例和附图，对本专利技术作进一步详细说明。实施本专利技术的过程、条件、试剂、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本专利技术没有特别限制内容。以下通过实施例对本专利技术做进一步的阐述，其目的是为了更透彻理解本专利技术的内容，凡所举之例不视为对本专利技术保护范围的限制。实施例1本实施例以聚偏氟乙烯(以PVDF表示)为有机铁电聚合物，以聚3,4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)为导电聚合物，分别具有下式结构：制备基于导电聚合物和有机铁电聚合物的人工突触器件，具体步骤如下：(1)将ITO放入去离子水中超声2分钟，然后放入丙酮溶液中超声2分钟，再放入异丙醇中超声2分钟，最后将电极放入真空干燥箱中干燥。(2)将聚偏氟乙烯溶在碳酸二乙酯溶液中来配制旋涂溶液；其中，聚偏氟乙烯的质量分数为2.5wt％；(3)用滴管取质量分数为1.3wt％的PEDOT:PSS水溶液，滴注在ITO电极上，旋转速度为500r/s-4000r/s，进行PEDOT:PSS薄膜的制备，然后再用步骤2中制得的聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁电调控的两端导电聚合物人工突触器件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：/n步骤1：对下电极进行清洗/n将下电极放入去离子水中超声1～3分钟，然后放入无水丙酮中超声1～3分钟，再放入异丙醇中超声1～3分钟，最后将下电极放入真空干燥箱中干燥；/n步骤2：制备旋涂溶液/n将有机铁电聚合物溶于碳酸二乙酯溶液或丁酮溶液中，其中，有机铁电聚合物的质量分数为1wt%—2.5wt%；将导电聚合物溶液溶于水或碳酸二乙酯溶液中，导电聚合物的质量分数为1wt%—15wt%；/n步骤3：导电聚合物薄膜和有机铁电聚合物薄膜的旋涂/n用滴管取导电聚合物溶液，滴加在旋转的步骤1所清洗过的下电极上，旋转速度为500r/s-4000r/s,制备导电聚合物薄膜；然后在旋转速度为500r/s-3000r/s的范围内，滴加有机铁电聚合物溶液，在导电聚合物薄膜上制备有机铁电聚合物薄膜；/n步骤4：退火/n将步骤3中制备好的下电极放入真空干燥箱中，在135℃下退火4小时；/n步骤5：制备人工突触器件/n在步骤4所制得的有机铁电聚合物薄膜上热蒸镀一层导体作为上电极，制得所述的人工突触器件；/n其中：/n所述有机铁电聚合物为聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物；导电聚合物为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸或聚苯胺；/n所述上、下电极为导体；/n所述导电聚合物薄膜的厚度为1纳米至 100微米；有机铁电聚合物的厚度为1纳米至100微米。/n...

【技术特征摘要】
1.一种铁电调控的两端导电聚合物人工突触器件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：
步骤1：对下电极进行清洗
将下电极放入去离子水中超声1～3分钟，然后放入无水丙酮中超声1～3分钟，再放入异丙醇中超声1～3分钟，最后将下电极放入真空干燥箱中干燥；
步骤2：制备旋涂溶液
将有机铁电聚合物溶于碳酸二乙酯溶液或丁酮溶液中，其中，有机铁电聚合物的质量分数为1wt%—2.5wt%；将导电聚合物溶液溶于水或碳酸二乙酯溶液中，导电聚合物的质量分数为1wt%—15wt%；
步骤3：导电聚合物薄膜和有机铁电聚合物薄膜的旋涂
用滴管取导电聚合物溶液，滴加在旋转的步骤1所清洗过的下电极上，旋转速度为500r/s-4000r/s,制备导电聚合物薄膜；然后在旋转速度为500r/s-3000r/s的范围内，滴加有机铁电聚合物溶液，在导电聚合物薄膜上制备有机铁电聚合物薄膜；
步骤4：退火
将步骤3中制备好的下电极放入真空干燥箱中，在135℃下退火4小时；
步骤5：制备人工...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭晖，张宇，蒋纯莉，罗春花，钟妮，田博博，林和春，段纯刚，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31