基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件及调控方法技术

本发明专利技术公开了基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件及调控方法，器件由下至上依次包括衬底1、底电极2、功能层3、顶电极4。该功能层采用具有室温的面外铁电性的单晶二维原子晶体CuInP2S6。利用二维CuInP2S6的室温铁电性及高速的紫外光响应特性，该忆阻神经突触器件同时具有电激励和光激励的特性，且制作成本低、工艺简单，可同时用于深度学习、记忆神经的模拟和视觉系统的模拟，使得忆阻神经突触器件能够完成更加复杂的功能。完成更加复杂的功能。完成更加复杂的功能。

【技术实现步骤摘要】
基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件及调控方法


[0001]本专利技术属于类脑计算
，具体涉及基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件及调控方法。

技术介绍

[0002]随着大数据时代的高速发展，人们对信息存储和处理的速度要求越来越高，人们期望未来信息处理的方式能像人脑一样进行自主的学习和思考，很多采用非冯诺依曼体系结构的计算机，比如量子计算机和人工神经网络，应运而生。相较于传统的基于冯诺伊曼架构的计算机，生物大脑拥有极高的灵活性，处理信息的高速性，并行性和低功耗等特性。因此，开发人工智能、利用电子器件构建人工神经网络，从信息处理的角度对人脑神经网络进行抽象的模拟成为了新一代计算机系统研究的热点。在生物大脑中，神经网络是由大量的神经元通过错综复杂的联系构成的，这些神经元之间发生联系的部位称为神经突触，神经元负责处理信息，而突触负责传递信息。要研制类脑芯片，首先需要制备出能够模仿神经突触行为的仿生器件，传统的办法是使用多个晶体管和电容器相结合的方式来模拟一个突触，而生物大脑中神经突触的数量多达10
14
～10
15
个，利用传统手段制造的神经形态芯片，其器件的能耗将达到～7GW，而实际人脑工作功耗仅为20
‑
35W，显然，无论是从功耗还是密度上说都是无法满足实际需求的。因此，如何设计低功耗，低面积，高速且易于集成的电子突触器件就显得格外重要，成为近年来的研究热点与重点。
[0003]近年研究发现，模拟型忆阻器的阻态随着电压的扫描呈连续型变化，且忆阻器下一时刻的电阻值是建立在上一时刻的电阻值之上变化的，因此具有记忆功能，这种独特的电学性质类似于神经突触的非线性传输特性，除此之外忆阻器件还具备非易失，纳米级的尺寸大小，低功耗等优势，被认为是功能最接近于神经突触的器件。
[0004]人工神经突触器件从激励手段上分主要有两大类：电子型突触器件和光电子型突触器件。电子型突触器件通常采用电脉冲模拟神经元接受的外部激励信号，可用于深度学习、记忆神经的模拟；而光电子型突触器件采用光脉冲的方式，可用于视觉系统的模拟。目前，很少有人工神经突触器件同时具有电激励和光激励的特性，极大的限制了人工神经突触器件的应用范围。此外，关于铁电突触器件的报道仍以电子型突触器件为主，随着研究的深入发现这类器件的抗疲劳特性和稳定性往往受铁电材料的性质影响，这主要是由于当铁电材料厚度降低后其铁电性不稳定，容易受到外界的电信号的干扰，且在电场的作用下离子容易迁移导致铁电性的破坏。

技术实现思路

[0005]为了改进上述现有技术的缺陷，本专利技术公开一种基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件及调控方法，该忆阻神经突触器件同时具有电激励和光激励的特性，且制作成本低、工艺简单，可同时用于深度学习、记忆神经的模拟和视觉系统的模拟，丰富了器件的功能性，具有极大的应用价值。此外，由于采用全光激励的方式，忆阻神经突触器件的抗疲劳特
性和稳定性得到了很大的提高。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术公开了一种基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件，包括从上到下的衬底、底电极、功能层、顶电极，功能层为二维原子晶体铁电材料CuInP2S6，具有室温的面外铁电极化。
[0008]作为进一步地改进，本专利技术所述的衬底为285nm SiO2基底或300nm SiO2基底，顶电极为二维原子晶体材料，厚度为单层或少层。
[0009]作为进一步地改进，本专利技术所述的功能层厚度为大于4nm，底电极为金属材料，厚度为20nm～50nm。
[0010]作为进一步地改进，本专利技术所述的功能层为25nm，底电极为Au材料，厚度为30nm。
[0011]作为进一步地改进，本专利技术所述的顶电极为石墨烯，厚度为单层石墨烯。
[0012]一种基于二维CuInP2S6铁电材料的忆阻神经突触器件的制备方法，包括以下步骤：
[0013](1)在SiO2基底上采用光刻定义底电极的图形，然后蒸镀Au薄层，作为器件的底电极；
[0014](2)采用干法转移的方式将二维单晶铁电材料转移到步骤1)所制备好的Au底电极上，作为器件的功能层；
[0015](3)采用干法转移的方式将二维单层石墨烯材料转移到步骤2)所制备好的功能层上，作为器件的顶电极。
[0016]作为进一步地改进，本专利技术所述的步骤1)具体为：采用紫外光刻或电子束光刻的方法定义底电极图形，然后采用热争渡的方法制备Au底电极。
[0017]作为进一步地改进，本专利技术所述的采用机械剥离的方法制备二维单层石墨烯材料和二维少层铁电材料。
[0018]本专利技术还公开了一种基于二维CuInP2S6铁电材料的忆阻神经突触器件的调控方法，采用电激励方式，具体为：通过在基于二维CuInP2S6铁电材料的忆阻神经突触器件的底电极接地，顶电极输入多个相同脉冲的正直流电压使器件的电流逐渐升高，电导值逐渐增大，模拟实现忆阻神经突触器件的长程可塑性功能，相反，在顶电极输入多个相同脉冲的负直流电压使器件的电流逐渐降低，电导值逐渐减小，模拟实现忆阻神经突触器件的长程抑制性功能。
[0019]本专利技术还公开了一种基于二维CuInP2S6铁电材料的忆阻神经突触器件的调控方法，采用光激励方式，具体为：通过在基于二维CuInP2S6铁电材料的忆阻神经突触器件的底电极接地，当顶电极输入正直流电压使器件切换到低电阻状态，然后采用多个紫外激光脉冲照射器件的结区，器件的零偏压光电流逐渐减小，光电导值逐渐减小，模拟实现忆阻神经突触器件的长程抑制性功能，相反，当顶电极输入负直流电压使器件切换到高电阻状态，然后采用多个紫外激光脉冲照射器件的结区，器件的零偏压光电流逐渐增加，电导值逐渐增加，模拟实现忆阻神经突触器件的长程可塑性功能。
[0020]本专利技术的有益效果如下：
[0021]本专利技术的一种基于二维CuInP2S6铁电材料的忆阻神经突触器件包括：衬底、底电极、功能层、顶电极，其结构简单，制作成本低、工艺简单。由于该功能层采用单晶二维原子晶体铁电材料CuInP2S6，其具有室温的面外铁电性，在连续电脉冲的激励下，CuInP2S6的极
化强度可逐渐改变，且其极化方向可随施加的电脉冲方向的改变而改变；同时，在CuInP2S6不同的极化方向下，CuInP2S6对紫外激光具有不同的光响应，即其零偏压光电流的方向和其极化方向有关。因此，该忆阻神经突触器件同时具有电激励和光激励的特性，可同时用于深度学习、记忆神经的模拟和视觉系统的模拟，丰富了器件的功能性，可实现更加复杂的仿生功能。此外，由于采用全光激励的方式，忆阻神经突触器件的抗疲劳特性和稳定性得到了很大的提高。
附图说明
[0022]图1为本专利技术基于二维CuInP2S6铁电材料的忆阻神经突触器件的结构示意图；
[0023]图2为本专利技术基于二维CuInP2S6铁电材料的忆阻神经突触器件高低电阻态转变的电流
‑
电压特性曲线图；
[0024]图3为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件，其特征在于，包括从上到下的衬底(1)、底电极(2)、功能层(3)、顶电极(4)，所述功能层(3)为二维原子晶体铁电材料CuInP2S6，具有室温的面外铁电极化。2.如权利要求1所述的基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件，其特征在于，所述衬底(1)为285nm SiO2基底或300nm SiO2基底，所述顶电极(4)为二维原子晶体材料，厚度为单层或少层。3.如权利要求1所述的基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件，其特征在于，所述功能层(3)厚度为大于4nm，底电极(2)为金属材料，厚度为20nm～50nm。4.如权利要求3所述的基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件，其特征在于，所述功能层(3)为25nm，底电极(2)为Au材料，厚度为30nm。5.如权利要求2所述的基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件，其特征在于，所述的顶电极(4)为石墨烯，厚度为单层石墨烯。6.一种如权利要求1
‑
5中任意一项所述基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件的制备方法，包括以下步骤：1)在SiO2基底上采用光刻定义底电极(2)的图形，然后蒸镀Au薄层，作为器件的底电极(2)；2)采用干法转移的方式将二维单晶铁电材料转移到步骤1)所制备好的Au底电极(2)上，作为器件的功能层(3)；3)采用干法转移的方式将二维单层石墨烯材料转移到步骤2)所制备好的功能层(3)上，作为器件的顶电极(4)。7.如权利要求6所述的基于二维铁电材料的忆阻神经突触器件的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)具...

【专利技术属性】
技术研发人员：李林军，朱焕峰，张天，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：