一种基于多羰基半导体钠离子存储的两端突触器件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于多羰基半导体钠离子存储的两端突触器件及其制备方法，属于有机半导体电子器件技术领域。本发明专利技术采用多羰基半导体作为半导体功能层，含钠离子的固态电解质作为离子供应层制备两端突触器件。本发明专利技术利用多羰基半导体高密度存储/释放钠离子的特性和优异的动力学，实现了器件电导态的连续调制，以电化学原理深入仿生了生物神经的突触可塑性并模拟了全连接的神经网络。该固态薄膜器件高度仿生并有望大规模集成，应用于未来神经形态芯片。芯片。芯片。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多羰基半导体钠离子存储的两端突触器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及有机半导体电子器件领域，具体涉及一种基于多羰基半导体钠离子存储的两端突触器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]开发模拟生物信息处理过程的突触器件对类脑计算系统的硬件实现至关重要。两端突触器件可根据其电阻状态记录电压和电流的变化，其连续调制的电阻和记忆状态与生物突触反应非常相似，且器件易于实现交叉阵列集成，因此，有望实现大规模集成的类脑计算系统。
[0003]突触是生物神经元之间在功能上发生联系的部位，也是信息传递的关键部位。在信息传递过程中，钠离子的内流会在突触后膜上产生局部去极化电位，进而触发神经元轴突始端爆发动作电位，完成信息传递。因此，钠离子驱动的仿生突触器件有望深度模拟生物神经中由钠离子活动主导的各种功能，推动基于类神经突触的构建与神经形态芯片的发展。
[0004]由于钠离子在半导体薄膜中存储的电化学机制并不清晰，且动力学过程难以模拟生物神经中的离子迁移，基于钠离子的仿生突触器件鲜见报道。最近，有研究发现金属硫族化合物和氧化物如硫化硒(SnS2)、氧化锌(ZnO)和二氧化钛(TiO2)等半导体可用于实现仿生突触器件，实现钠离子在电场下的掺杂与去掺杂并展现出优异的突触塑性和忆阻功能(Nanoscale,2019,11,15382
‑
15388；J.Mater.Chem.C,2021,9,5396
‑
5402；Materials Today Physics,2021,18,100329.)。有机半导体能带可调、具有丰富的官能团位点和优异的电化学氧化还原活性，有望高度仿生突触中的多种阴、阳离子的动力学行为，进而设计优异的离子型仿生突触器件。尤其是多羰基化合物作为一类优异的n型半导体，可高密度地存储/释放包括钠离子在内的多种金属阳离子，相关离子动力学机制已被广泛用于有机电池材料的设计与开发(Adv.Sci.2019,6,1900431.)。尽管Dongshin Kim等人首次采用对苯二甲酸二钠仿生了钠离子存储的液态突触器件(NPG Asia Materials,2020,12,1
‑
7.)，但采用的液态电解液限制了其进一步发展，固态薄膜中基于钠离子存储原理的多羰基半导体忆阻器尚未见报道。因此，利用多羰基半导体在电化学条件下的钠离子存储特性和优异的动力学设计并构筑两端仿生突触器件，有望深度模拟生物神经中由钠离子活动主导的突触可塑性，并具备实现大规模集成和未来神经形态芯片的潜力。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题
[0006]面向阳离子驱动的神经形态器件，针对钠离子仿生突触塑性的一系列问题，本专利技术利用固态薄膜中钠离子在电压驱动下向多羰基半导体电化学插入和脱出，实现了器件电导态的连续调制，以电化学原理深入仿生了生物神经的突触可塑性并模拟了全连接的神经
网络。解决了固态薄膜的突触器件中难以仿生钠离子通道的选择性与离子动力学，及其赋予的一系列突触塑性等问题。该固态薄膜器件高度仿生并有望大规模集成，应用于未来神经形态芯片。
[0007]技术方案
[0008]本专利技术以多羰基化合物为半导体功能层，以含钠离子的固态电解质为离子供应层，在电压驱动下实现钠离子向半导体功能层的电化学插入和脱出从而调节突触器件的电导态。
[0009]一种基于多羰基半导体钠离子存储的两端突触器件，其特征在于包括半导体功能层、离子供应层、底电极和顶电极；所述半导体功能层所用材料为多羰基化合物；所述离子供应层所用材料为含钠离子的聚合物或钠离子聚合物。
[0010]本专利技术进一步的技术方案：所述多羰基化合物包括但不限于5,7,12,14
‑
并五苯四酮(Pentacenetetrone)、苝四甲酸二酐(PTCDA)、3,4,9,10－四甲酰二亚胺(PTCDI)、聚(菲啰啉
‑
9,10
‑
二酮
‑
2,7
‑
二基)(Poly
‑
PA)、聚(蒽醌
‑
9,10
‑
二基)(Poly
‑
AQ)、聚(蒽醌
‑
1,5
‑
二基)(Poly
‑
1,5AQ)、聚[(环已
‑
2,5
‑
二烯
‑
1,4
‑
二酮
‑
2,5
‑
二基)
‑
交替
‑
硫](Poly
‑
BQ
‑
S)、聚[(蒽醌
‑
1,4
‑
二基)
‑
交替
‑
硫](Poly
‑
AQ
‑
S)、聚[(蒽醌
‑
1,5
‑
二基)
‑
交替
‑
硫](Poly
‑
1,5AQ
‑
S)、聚萘
‑
联噻吩(PNDI(2OD)2T)、聚萘二亚胺
‑
噻吩(PNDI(2HD)T)和聚[[1,2,3,6,7,8
‑
六氢
‑
2,7
‑
双(2
‑
辛基十二烷基)
‑
1,3,6,8
‑
tetraoxobenzo[lmn][3,8]菲咯啉
‑
4,9
‑
diyl](3,3'
‑
difluoro[2,2'
‑
bithiophene]‑
5,5'
‑
二基)](PNF222)、聚[(苯并咪唑基)苯并菲罗啉](BBL)。
[0011]本专利技术进一步的技术方案：所述含钠离子的聚合物为电解质盐、溶剂和凝胶聚合物，其中电解质盐包括但不限于氯化钠(NaCl)、高氯酸钠(NaClO4)、硫酸钠(Na2SO4)、辛基硫酸钠(C8H
17
NaO4S)、聚L
‑
谷氨酸钠、1
‑
萘磺酸钠(C
10
H7NaO3S)、丙二酸钠(CH2(COONa)2)、十四烷酸钠(CH3(CH2)
12
COONa)、1,5
‑
萘二磺酸钠(C
10
H6Na2O6S2)等；溶剂包括但不限于碳酸乙酯、水、乙腈、碳酸乙烯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、丙酮等；凝胶所用聚合物包括但不限于聚氧化乙烯(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯共聚P(VDF
‑
TrFE)、聚(苯乙烯
‑
嵌段
‑
甲基丙烯酸甲酯
‑
嵌段
‑
苯乙烯)(PS
‑
PMMA
‑
PS)、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多羰基半导体钠离子存储的两端突触器件，其特征在于包括半导体功能层、离子供应层、底电极和顶电极；所述半导体功能层所用材料为多羰基化合物；所述离子供应层所用材料为含钠离子的聚合物或钠离子聚合物。2.根据权利要求1所述的一种基于多羰基半导体钠离子存储的两端突触器件，其特征在于所述多羰基化合物包括但不限于5,7,12,14
‑
并五苯四酮(Pentacenetetrone)、苝四甲酸二酐(PTCDA)、3,4,9,10－四甲酰二亚胺(PTCDI)、聚(菲啰啉
‑
9,10
‑
二酮
‑
2,7
‑
二基)(Poly
‑
PA)、聚(蒽醌
‑
9,10
‑
二基)(Poly
‑
AQ)、聚(蒽醌
‑
1,5
‑
二基)(Poly
‑
1,5AQ)、聚[(环已
‑
2,5
‑
二烯
‑
1,4
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二酮
‑
2,5
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二基)
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交替
‑
硫](Poly
‑
BQ
‑
S)、聚[(蒽醌
‑
1,4
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二基)
‑
交替
‑
硫](Poly
‑
AQ
‑
S)、聚[(蒽醌
‑
1,5
‑
二基)
‑
交替
‑
硫](Poly
‑
1,5AQ
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S)、聚萘
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联噻吩(PNDI(2OD)2T)、聚萘二亚胺
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噻吩(PNDI(2HD)T)和聚[[1,2,3,6,7,8
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六氢
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2,7
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双(2
‑
辛基十二烷基)
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1,3,6,8
‑
tetraoxobenzo[lmn][3,8]菲咯啉
‑
4,9
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diyl](3,3'
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difluoro[2,2'
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bithiophene]
‑
5,5'
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二基)](PNF222)、聚[(苯并咪唑基)苯并菲罗啉](BBL)。3.根据权利要求1所述的一种基于多羰基半导体钠离子存储的两端突触器件，...

【专利技术属性】
技术研发人员：林宗琼，翁洁娜，杨波，戴彦谷，李倩，黄维，张晓，孙骏毅，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：