具有铁电二极管效应的人工突触器件及制备方法和应用

技术领域

本申请属于人工突触技术领域，尤其涉及具有铁电二极管效应的人工突触器件及制备方法和应用。

背景技术

忆阻器是除电阻器、电容器、电感器之外的第4种基本无源电子元件，是一种新型非易失性存储器。

忆阻器中，铁电忆阻器能在电场诱导下通过铁电翻转发生高电阻态与低电阻态之间的可逆转变(即：数字型忆阻器)，其高速度、高密度、良好信息保持等特性使其有望发展为新型阻变随机存储器件(RRAM)，同时铁电忆阻器能够在电场作用下实现电阻态的连续调节(即：模拟型忆阻器)，与神经突触的非线性传输特性高度相似，因此，铁电忆阻器被认为是人工突触器件的理想选择之一，被广泛应用于信息存储、神经网络计算、图像识别等众多领域，促进了人工神经网络系统的发展。

然而随着发展，传统铁电忆阻器在高速度、高温耐受性等方面仍具有局限性，同时复杂氧化物材料很难与硅基相兼容也是一个尚待解决的问题，因此需要探索新材料以及提高硅基兼容技术来进一步提高铁电忆阻器的性能，改善人工突触器件的性能。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了具有铁电二极管效应的人工突触器件及制备方法和应用，用于解决现有技术中人工突触器件的性能有待提高的技术问题。

本申请第一方面提供了具有铁电二极管效应的人工突触器件，包括依次叠加的底电极、铁铬酸铋薄膜以及顶电极。

优选的，所述底电极选自FTO导电玻璃底电极。

优选的，所述顶电极选自金顶电极、钨顶电极、银顶电极、钛顶电极、铝顶电极、氮化钛顶电极、铂顶电极中至少一种。

本申请第二方面提供了具有铁电二极管效应的人工突触器件的制备方法，制备方法包括步骤

步骤S1、将铁铬酸铋前驱体溶液旋涂在FTO底电极表面，得到铁铬酸铋湿膜；

步骤S2、将铁铬酸铋湿膜进行擦拭，得到露出FTO底电极的铁铬酸铋湿膜；

步骤S3、将露出FTO底电极的铁铬酸铋湿膜依次进行烘干、热解，得到铁铬酸铋干膜；

步骤S4、将铁铬酸铋干膜进行退火，得到铁铬酸铋薄膜；

步骤S5、将顶电极叠加在铁铬酸铋薄膜表面，得到具有铁电二极管效应的人工突触器件；

步骤S1中，所述铁铬酸铋前驱体溶液为金属铋盐、金属铁盐和金属铬盐的混合溶液。

优选的，步骤3之后，步骤5之前，还包括步骤、重复5～6次步骤S1～步骤S3，得到5～6层铁铬酸铋干膜。

优选的，步骤S1中，所述旋涂包括依次进行第一旋涂、第二旋涂；

所述第一旋涂的转速为800～1000转/分钟，时间为10～20秒；

所述第二旋涂的转速为3000～4000转/分钟，时间为20～30秒。

优选的，步骤S1中，所述混合溶液的溶剂为冰乙酸、乙二醇甲醚、乙酰丙酮、乙二醇中的至少一种；

所述混合溶液的溶质中金属铋盐、金属铁盐和金属铬盐分别为硝酸铋、硝酸铁以及硝酸铬；

所述混合溶液的溶质中硝酸铋的用量为0.011mol，硝酸铁的用量为0.005mol，硝酸铬的用量为0.005mol，溶剂的用量为41～50ml。

优选的，步骤S3中，所述烘干的温度为200～250℃，时间为4～10分钟；

所述热解的温度为350～400℃，时间为15～20分钟。

优选的，步骤S4中，所述退火的温度为600～700℃，时间为15～20分钟。

优选的，步骤S5中，所述顶电极叠加的方式为直流磁控溅射。

本申请第二方面提供了具有铁电二极管效应的人工突触器件在人工智能硬件或人工神经网络硬件上的应用。

综上所述，本申请提供了具有铁电二极管效应的人工突触器件及制备方法和应用，包括依次叠加的底电极、铁铬酸铋薄膜以及顶电极，铁铬酸铋薄膜覆盖在底电极表面，顶电极覆盖部分铁铬酸铋薄膜构成了人工突触器件，本申请提供的人工突触器件具有明显的铁电二极管效应，实现双脉冲易化(PPF)、长时增强(LTP)、脉冲时间依赖可塑性(STDP)和脉冲频率依赖可塑性(STRP)等功能，且具有功耗低，响应快，制备方法简单，成本低，易于实施等优点，从而高效模拟生物突触的行为，解决现有技术中人工突触器件的性能有待提高的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本专利申请实施例1提供的具有铁电二极管效应的人工突触器件结构示意图；

图2为本专利申请实施例2提供的人工突触器件制备流程示意图；

图3为本专利申请实施例2提供的人工突触器件电滞回线示意图；

图4为本专利申请实施例2提供的人工突触器件正向极化二极管I-V曲线示意图；

图5为本专利申请实施例2提供的人工突触器件反向极化二极管I-V曲线示意图；

图6为本专利申请实施例2提供的人工突触器件施加正向三角电压信号的电流响应示意图；

图7为本专利申请实施例2提供的人工突触器件施加反向三角电压信号的电流响应示意图；

图8为本专利申请实施例2提供的人工突触器件施加不同的双脉冲电压信号的电流响应示意图；

图9为本专利申请实施例2提供的人工突触器件双脉冲易化作用(PPF)示意图；

图10为本专利申请实施例2提供的人工突触器件长时增强(LTP)示意图；

图11为本专利申请实施例2提供的人工突触器件长时抑制(LTD)示意图；

图1中，1-顶电极，2-铁铬酸铋薄膜，3-底电极，4-基片。

具体实施方式

本申请提供了具有铁电二极管效应的人工突触器件及制备方法和应用，用于解决现有技术中人工突触器件的性能有待提高的技术问题。

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1

鉴于传统铁电忆阻器在高速度、高温耐受性等方面仍具有局限性，且复杂氧化物材料很难与硅基相兼容，导致人工突触器件的性能较低，本申请实施例1提供了具有铁电二极管效应的人工突触器件，其结构示意图如图1所示，从图1可以看出，人工突触器件，包括依次叠加的底电极、铁铬酸铋薄膜以及顶电极，本申请提供的人工突触器件具有明显的铁电二极管效应，能够实现双脉冲易化(PPF)并模拟长时增强效应(LTP)、脉冲时间依赖可塑性(STDP)和脉冲频率依赖可塑性(STRP)等功能，且具有功耗低，响应快，制备方法简单，成本低，易于实施等优点，是一种性能优异的人工突触器件，从而解决现有技术中人工突触器件的性能有待提高的技术问题。

实施例2

本申请实施例2提供了实施例1所述具有铁电二极管效应的人工突触器件的一种制备方法，制备方法包括清洗FTO导电玻璃的步骤、配置铁铬酸铋前驱体溶液的步骤、制备铁铬酸铋薄膜的步骤以及制备人工突触器件的步骤。

其中，清洗FTO导电玻璃的步骤包括：依次对FTO导电玻璃进行去离子水超声清洗10min，乙醇超声清洗10min，擦拭干净之后再使用等离子清洗机通入氮气清洗，最后得到表面干净的FTO导电玻璃；通过清洗步骤能够消除FTO导电玻璃可能存在的污染物对铁铬酸铋薄膜的成核和生长的不利影响。

配置铁铬酸铋前驱体溶液的步骤包括：将0.011mol的硝酸铋(Bi(NO

旋涂铁铬酸铋前驱体湿膜的步骤包括：在FTO导电玻璃上旋涂铁铬酸铋(Bi

制备人工突触器件包括：用掩膜版结合直流磁控溅射金属金，在铁铬酸铋薄膜正面镀上一层金属Au顶电极，即制得具有铁电二极管效应的双钙钛矿人工突触器件，该器件的结构为金顶电极/铁铬酸铋薄膜/FTO导电玻璃，底电极FTO的厚度为150～250nm，该半导体器件结构具有明显的铁电二极管效应。

实验例1

本申请实验例1对实施例2提供的人工突触器件进行性能测试，测试为电压测试。

其中，图3为对实施例2提供的人工突触器件施加交变电压得到的电滞回线图，从图3中可以看出，实施例2提供的人工突触器件为铁电体。

图4-5为对实施例2提供的人工突触器件施加正/负3V的电压得到的示意图，从图4-5可以看出实施例2提供的人工突触器件具有明显的铁电二极管效应。

图6-7为对实施例2提供的人工突触器件施加正/负4V的三角波电压得到的示意图，从图6-7可以看出实施例2提供的人工突触器件在施加正4V的三角波电压过程中随着正向电压的作用器件的电流值逐渐增强，在施加负4V的三角波电压过程中随着负电流的作用器件的电流值逐渐减小，这表明该器件能够在短时间模拟突触的增强/抑制效应。

图8-11为对实施例2提供的人工突触器件施加双脉冲电压信号得到的示意图，图8为对实施例2提供的人工突触器件施加强度相同但间隔时间不同的双脉冲电压信号得到的电流响应图；对双脉冲电压进行调控得到的示意图如图9-11，如图9所示，可以看出随着两个脉冲信号间隔时间的减小，第二脉冲导致的电流显著增大，双脉冲易化指数增大，这与生物突触的双脉冲易化行为一致，如图10-11所示，通过改变正向/反向脉冲的时间，该器件可以模拟长时增强和长时抑制效应。

以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。