基于纳流体界面型忆阻器的互补型结构突触器件及其制备制造技术

本发明专利技术属于微电子与纳米技术领域，公开了一种基于纳流体界面型忆阻器的互补型结构突触器件及其制备，该器件包括至少两条并行的、且从功能上被划分为共计两类的纳米沟道；不同功能分类的纳米沟道与第一液体接触后壁面将带正负不同的电性，第一类和第二类功能纳米沟道将会对第一液体表现出不同的离子选择通过性，对第二液体则不会表现出离子选择通过性；在外加电场的作用下，这两类功能纳米沟道的电导变化将相反，实现互补型结构的人工突触器件。本发明专利技术通过第一液体、第二液体与两类并行功能纳米沟道的整体配合作用，在同一外加电场下纳米沟道内将产生不同的液体界面移动，能够对应得到增强型和抑制型纳流体忆阻器单元，实现互补型结构突触器件。

Complementary structure synaptic device based on nanofluid interface memristor and its preparation

【技术实现步骤摘要】
基于纳流体界面型忆阻器的互补型结构突触器件及其制备
本专利技术属于微电子与纳米
，更具体地，涉及一种基于纳流体界面型忆阻器的互补型结构突触器件及其制备，该结构是基于两种不同电导率，并且互不相溶溶液的纳流体界面型忆阻器，比如基于KCl盐的水溶液和离子导体[BMIM][PF6]的纳流体忆阻器，通过设计不同的两种纳米沟道材料与结构，可以通过传统的半导体制备流程和工艺，从而实现在同一基底上完成增强型和抑制型两种突触忆阻器单元的组合，进而得到了基于纳流体界面型的忆阻器的互补型结构突触器件。
技术介绍
随着传统半导体器件尺寸缩小和集成电路设计规模增大的今天，传统的集成电路技术有着其无法消除的局限性，而人工智能的发展离不开集成电路设计，类脑计算以及深度学习需要合适的专门的集成电路来进行实现，从而完成对人类听说读写等功能的实现。忆阻器(memristor)是由“蔡少棠”于1970年代在研究电荷、电流、电压和磁通量之间关系时推断出的第四种无源元件,并提出忆阻器代表着电荷和磁通量之间的关系。忆阻器的阻值会随着流经它的电荷量的变化而发生改变,并且能够在断开外加电流时保持它的之前的阻值状态。在考虑设计模拟神经形态结构的电路时，需要有代替人脑突触的结构单元，所以考虑使用忆阻器来实现突触功能，从而完成神经网络电路的设计。在人脑神经元之间，存在增强型突触和抑制型突触，对于相同生物电脉冲信号，可以分别实现突触权重的增强或者减弱，从而得到相应的学习或者记忆功能。另一方面，当前学界忆阻神经网络设计结构比较复杂，需要有外加电路或者多层复杂的辅助电路来完成增强型和抑制型突触的同时实现，从而实现相应功能算法；在集成电路设计方面，也很少有在同一工艺流程下，同时制备得到增强型和抑制型突触器件。因此，需要有合适的互补型突触结构来同时实现增强型和抑制型突触功能。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种基于纳流体界面型忆阻器的互补型结构突触器件及其制备，其中通过第一液体、第二液体与两类并行纳米沟道的整体配合作用，利用两类并行纳米沟道对第一液体产生离子选择作用、对第二液体不产生离子选择作用，并进一步利用第一液体与两个并行纳米沟道表面水解所带电性的不同，在同一外加电场方向下，两个并行纳米沟道内将产生不同的液体界面移动，对应得到增强型纳流体忆阻器单元与抑制型纳流体忆阻器单元，实现人工突触器件中增强型器件和抑制型器件的共存，从功能上实现了互补型结构突触器件，并且实现制备流程的简化，完成对传统电路结构的改善。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于纳流体界面型忆阻器的互补型结构突触器件，其特征在于，包括至少两条并行的、且从功能上被划分为共计两类的纳米沟道，在这些纳米沟道的两端还设置有第一液体沟道和第二液体沟道，任意一条所述纳米沟道均用于连通所述第一液体沟道与所述第二液体沟道；并且，这些纳米沟道均位于第一基底上，所述第一液体沟道和所述第二液体沟道均位于第二基底上，所述第一基底与所述第二基底两者层叠在一起形成整体结构；其中，所述第一液体沟道用于容纳第一液体，并且和第一电极相连；所述第二液体沟道用于容纳第二液体，并且和第二电极相连；所述第一液体与所述第二液体之间存在电导率上的差异，且二者互不相溶；这些纳米沟道从功能上能够被分类为共计两类，分别记它们为第一类功能纳米沟道与第二类功能纳米沟道；这两类功能纳米沟道能够在与所述第一液体接触后发生不同的水解反应，产生正负电性不同的离子，从而使这两类功能纳米沟道的壁面表现出带有正负不同的电性，利用正负电性的不同，即可实现两类功能的划分；分别记这两类功能纳米沟道为第一类功能纳米沟道与第二类功能纳米沟道，其中所述第一类功能纳米沟道能够与所述第一液体接触后使壁面表现出带有负电，所述第二类功能纳米沟道能够与所述第一液体接触后使壁面表现出带有正电；由于壁面正负电性的不同，所述第一类功能纳米沟道和所述第二类功能纳米沟道将会对所述第一液体表现出不同的离子选择通过性，与此同时，这两类功能纳米沟道不会对所述第二液体表现出离子选择通过性；所述第一电极和所述第二电极则用于向这些纳米沟道施加外加电压，从而向这些纳米沟道引入外加电场作用；该外加电压能够在这些纳米沟道内产生方向相同的外加电场，在该外加电场的作用下，由于两类功能纳米沟道壁面所带电荷不同，因此这两类功能纳米沟道的电导变化将相反，从而实现纳流体界面型的忆阻器的互补型结构突触器件。作为本专利技术的进一步优选，所述第一类功能纳米沟道所采用的内壁材料为能够与所述第一液体水解后带负电性离子或者负电性基团的材料，优选为SiO2；所述第二类功能纳米沟道所采用的内壁材料为能够与所述第一液体水解后带正电性离子或者正电性基团的材料，优选为Al2O3。作为本专利技术的进一步优选，所述第一液体为化合物盐的水溶液，优选为KCl的水溶液；所述第二液体为与化合物盐的水溶液不互溶的离子导体或导电有机化合物，优选为[BMIM][PF6]。作为本专利技术的进一步优选，任意一条所述纳米沟道的深度满足80-200nm，宽度满足50-300nm，长度满足10-100um。作为本专利技术的进一步优选，所述第一液体沟道具体包括第一微米沟道，以及通过该第一微米沟道相连的至少2个储液池；所述第一微米沟道深度为50-1000um，宽度1-5um，长为1-2cm；所述第二液体沟道具体包括第二微米沟道，以及通过该第二微米沟道相连的至少2个储液池；所述第二微米沟道深度为50-1000um，宽度1-5um，长为1-2cm；所述第一电极为1个，这个第一电极设置在与所述第一微米沟道相连的一个储液池内；所述第二电极为1个，这个第二电极设置在与所述第二微米沟道相连的一个储液池内；优选的，所述储液池共计4个，其中两个分别分布在所述第一微米沟道的两末端，另外两个分别分布在所述第二微米沟道的两末端。作为本专利技术的进一步优选，所述第一基底为SiO2基底，所述第二基底为PDMS基底。按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了制备上述基于纳流体界面型忆阻器的互补型结构突触器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在SiO2基底上通过半导体加工工艺得到并行的至少两条纳米沟道，所述半导体加工技术包括电子束光刻和等离子体刻蚀，之后进行去胶；然后，对这些纳米沟道进行功能上的预划分，其中，至少一条纳米沟道被预划分为第一类功能纳米沟道，至少一条纳米沟道被划分为第二类功能纳米沟道；被预划分为第一类功能纳米沟道的纳米沟道保持不变；被预划分为第二类功能纳米沟道的纳米沟道，则需要在所述等离子体刻蚀工艺完成后，通过光刻胶曝光掩膜，进行电子束蒸发，完成剥离后，实现对纳米沟道内壁的修饰，使修饰后得到的壁面为能够与第一液体水解后带正电的材料；由此实现第一类功能纳米沟道与第二类功能纳米沟道这两类从功能上被划分为共计两类的纳米沟道的制备；(2)制备具有第一液体沟道和第二液体沟道的PDMS基底；优选的，该步骤(2)具体包括以下操作：准备另一SiO2基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于纳流体界面型忆阻器的互补型结构突触器件，其特征在于，包括至少两条并行的、且从功能上被划分为共计两类的纳米沟道，在这些纳米沟道的两端还设置有第一液体沟道和第二液体沟道，任意一条所述纳米沟道均用于连通所述第一液体沟道与所述第二液体沟道；并且，这些纳米沟道均位于第一基底上，所述第一液体沟道和所述第二液体沟道均位于第二基底上，所述第一基底与所述第二基底两者层叠在一起形成整体结构；其中，/n所述第一液体沟道用于容纳第一液体，并且和第一电极相连；所述第二液体沟道用于容纳第二液体，并且和第二电极相连；所述第一液体与所述第二液体之间存在电导率上的差异，且二者互不相溶；/n这些纳米沟道从功能上能够被分类为共计两类，分别记它们为第一类功能纳米沟道与第二类功能纳米沟道；这两类功能纳米沟道能够在与所述第一液体接触后发生不同的水解反应，产生正负电性不同的离子，从而使这两类功能纳米沟道的壁面表现出带有正负不同的电性，利用正负电性的不同，即可实现两类功能的划分；分别记这两类功能纳米沟道为第一类功能纳米沟道与第二类功能纳米沟道，其中所述第一类功能纳米沟道能够与所述第一液体接触后使壁面表现出带有负电，所述第二类功能纳米沟道能够与所述第一液体接触后使壁面表现出带有正电；由于壁面正负电性的不同，所述第一类功能纳米沟道和所述第二类功能纳米沟道将会对所述第一液体表现出不同的离子选择通过性，与此同时，这两类功能纳米沟道不会对所述第二液体表现出离子选择通过性；/n所述第一电极和所述第二电极则用于向这些纳米沟道施加外加电压，从而向这些纳米沟道引入外加电场作用；该外加电压能够在这些纳米沟道内产生方向相同的外加电场，在该外加电场的作用下，由于两类功能纳米沟道壁面所带电荷不同，因此这两类功能纳米沟道的电导变化将相反，从而实现纳流体界面型的忆阻器的互补型结构突触器件。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于纳流体界面型忆阻器的互补型结构突触器件，其特征在于，包括至少两条并行的、且从功能上被划分为共计两类的纳米沟道，在这些纳米沟道的两端还设置有第一液体沟道和第二液体沟道，任意一条所述纳米沟道均用于连通所述第一液体沟道与所述第二液体沟道；并且，这些纳米沟道均位于第一基底上，所述第一液体沟道和所述第二液体沟道均位于第二基底上，所述第一基底与所述第二基底两者层叠在一起形成整体结构；其中，
所述第一液体沟道用于容纳第一液体，并且和第一电极相连；所述第二液体沟道用于容纳第二液体，并且和第二电极相连；所述第一液体与所述第二液体之间存在电导率上的差异，且二者互不相溶；
这些纳米沟道从功能上能够被分类为共计两类，分别记它们为第一类功能纳米沟道与第二类功能纳米沟道；这两类功能纳米沟道能够在与所述第一液体接触后发生不同的水解反应，产生正负电性不同的离子，从而使这两类功能纳米沟道的壁面表现出带有正负不同的电性，利用正负电性的不同，即可实现两类功能的划分；分别记这两类功能纳米沟道为第一类功能纳米沟道与第二类功能纳米沟道，其中所述第一类功能纳米沟道能够与所述第一液体接触后使壁面表现出带有负电，所述第二类功能纳米沟道能够与所述第一液体接触后使壁面表现出带有正电；由于壁面正负电性的不同，所述第一类功能纳米沟道和所述第二类功能纳米沟道将会对所述第一液体表现出不同的离子选择通过性，与此同时，这两类功能纳米沟道不会对所述第二液体表现出离子选择通过性；
所述第一电极和所述第二电极则用于向这些纳米沟道施加外加电压，从而向这些纳米沟道引入外加电场作用；该外加电压能够在这些纳米沟道内产生方向相同的外加电场，在该外加电场的作用下，由于两类功能纳米沟道壁面所带电荷不同，因此这两类功能纳米沟道的电导变化将相反，从而实现纳流体界面型的忆阻器的互补型结构突触器件。


2.如权利要求1所述基于纳流体界面型忆阻器的互补型结构突触器件，其特征在于，所述第一类功能纳米沟道所采用的内壁材料为能够与所述第一液体水解后带负电性离子或者负电性基团的材料，优选为SiO2；所述第二类功能纳米沟道所采用的内壁材料为能够与所述第一液体水解后带正电性离子或者正电性基团的材料，优选为Al2O3。


3.如权利要求1所述基于纳流体界面型忆阻器的互补型结构突触器件，其特征在于，所述第一液体为化合物盐的水溶液，优选为KCl的水溶液；所述第二液体为与化合物盐的水溶液不互溶的离子导体或导电有机化合物，优选为[BMIM][PF6]。


4.如权利要求1所述基于纳流体界面型忆阻器的互补型结构突触器件，其特征在于，任意一条所述纳米沟道的深度满足80-200nm，宽度满足50-300nm，长度满足10-100um。


5.如权利要求1所述基于纳流体界面型忆阻器的互补型结构突触器件，其特征在于，所述第一液体沟道具体包括第一微米沟道，以及通过该第一微米沟道相连的至少2个储液池；所述第一微米沟道深度为50-1000um，宽度1-5um，长为1-2cm；
所述第二液体沟道具体包括第二微米沟道，以及通过该第二微米沟道相连的至少2个储液池；所述第二微米沟道深度为50-1000um，宽度1-5um，长为1-2cm；
所述第一电极为1个，这个第一电极设置在与所述第一微米沟道相连的一个储液池内；
所述第二电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪向水，何毓辉，陈可欣，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42