一种有机全光神经形态材料及其器件制备方法

发明人：黄辉，章垠程，陈皓，蔡芸皓

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种具有高的双脉冲易化指数(PPF)且可用于大面积柔性显示的有机神经形态材料及其器件制备方法。

背景技术

为了解决传统冯·诺依曼架构的瓶颈，迫切需要寻找能够模拟大脑基本功能的下一代计算范式。大多数神经形态器件是通过电的方法实现的，不可避免地要用接触的方法来测量，并且需要额外的电消耗，限制了它们在大规模并行信息处理中的应用。因此，全光子突触具有几乎无限带宽、低能量消耗和超高运行速度的优点，优于其他电突触。

此外，目前光电突触器件还存在两方面的缺陷。一是相对较低的成对脉冲易化(PPF)值。PPF是各种突触活动的基本行为，代表了学习增强的能力。在图像传输和存储过程中，长期存储(LTP)需要一定的存储时间。然而，有时有必要暂时保留和传输图片。高PPF可以在短时间内更快、更清晰地记录和传输图像。报道文献的PPF值不超过250％，与实际应用差距较大。另一个是由于电子器件的光刻精度，它们的器件尺寸和空间成像分辨率有限。为了实现复杂图案，大面积、高分辨率成像是人工视觉系统发展的必然趋势。缺乏提高PPF或调节突触性能、获取高清晰图像的策略阻碍了光电突触未来的发展。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开一种具有高的双脉冲易化指数(PPF)且可进行大面积柔性显示的有机全光神经形态材料及其器件制备方法，包括：柔性衬底，有机功能层，其为有机薄膜。

本发明的可进行大面积柔性显示的有机全光神经形态器件中，优选为，所述柔性衬底为PEN、PI、PET或PDMS。

本发明的可进行大面积柔性显示的有机全光神经形态器件中，优选为，所述有机薄膜材料为自己合成：N-苯基-2,2-二萘胺(D1)、N-苯基邻甲基-2,2-二萘胺(D2)、N-苯基间甲基-2,2-二萘胺(D3)或N-苯基对甲基-2,2-二萘胺(D4)在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中掺杂质量分数为5％的透明液体。

本发明公开一种可进行大面积柔性显示的有机全光神经形态器件制备方法，包括以下步骤：在柔性衬底上刮涂有机薄膜材料

本发明还公开一种可进行大面积柔性显示的有机全光神经形态器件中有机薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、称取主体材料PMMA放入洁净干燥的容器中，加入四氢呋喃溶剂至完全溶解，配置主体溶液；

S2、分别称取客体放入洁净干燥的容器中；

S3、按照客体在主体中的掺杂质量分数为5％的比例，量取步骤S1中的主体PMMA溶液溶解步骤S2中称取的客体样品，超声均匀分散，样品完全溶解，得到可用来刮涂的粘稠液体；

S4、将制备的粘稠液体取部分放置在柔性基底上，通过刮涂的方式在柔性基底上均匀铺展开(厚度大于等于500微米)，待溶剂挥发完全后，即得到一种可进行大面积柔性显示的有机全光神经形态器件。

本发明所涉及的客体掺杂在主体中的质量分数为5％。

本发明所涉及的主体溶解溶剂为四氢呋喃(THF)。

本发明所涉及的柔性基底为PET、PEN、PDMS等。

本发明所涉及的客体分子合成路线如下所示：

结构通式如式A所示：

所述式A中，R

其中叔丁醇钾为碱性试剂(反应物2,2’-二萘胺的1-3倍摩尔当量)，醋酸钯(反应物2,2’-二萘胺的0.05-0.1倍摩尔当量)和三叔丁基膦(反应物2,2’-二萘胺的0.025-0.05倍摩尔当量)为催化剂，无水无氧甲苯为溶剂。该偶联反应在无水无氧的环境下发生。

本发明所涉及的样品混合，无添加顺序要求，采用物理超声方式混合，刮涂后在室温下自然挥发晾干。

本发明具有的有益效果为：

本发明中基于三苯胺衍生材料的有机全光神经形态器件，可以对395nm的紫外光产生突触响应。经过大面积涂布后，可进行高清晰度的成像显示，所成图像具有类似神经突触的存储与遗忘过程，可以实现短程可塑性、长程可塑性等突触行为。丰富了有机材料在全光突触领域的研究。利用所合成的客体分子(D1-D4)制备的单个器件可实现高的PPF值，最高可达到430％。

附图说明

图1是本发明大面积柔性神经形态器件的结构示意图；

图2是客体分子D4的核磁共振氢谱图；

图3是客体分子D4的核磁共振碳谱图；

图4是客体分子D4的HPLC谱图；

图5是客体分子D4的HRMS图；

图6是客体分子D3的核磁共振氢谱图；

图7是客体分子D3的核磁共振碳谱图；

图8是客体分子D3的HPLC谱图；

图9是客体分子D3的HRMS图；

图10是客体分子D2的核磁共振氢谱图；

图11是客体分子D2的核磁共振碳谱图；

图12是客体分子D2的HPLC谱图；

图13是客体分子D2的HRMS图；

图14是客体分子D1的核磁共振氢谱图；

图15是客体分子D1的核磁共振碳谱图；

图16是客体分子D1的HPLC谱图；

图17是客体分子D1的HRMS图；

图18是柔性器件的记忆操作过程示意图；

图19是紫外光脉冲刺激下的兴奋性突触后吸收变化图；

图20是短程可塑性与长程可塑性的记忆过程图；

图21是四种材料分别制备成器件后的PPF指数图。

具体实施方法

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

一、柔性有机全光神经形态器件制备过程

实施例1

一种具有高的双脉冲易化指数(PPF)且可用于大面积柔性显示的有机神经形态材料的制备方法，图1是相应的器件结构，具体步骤如下：

S1、主体分子(I)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的溶液配制：称取1g PMMA盛放在干燥洁净的20一种具有高的双脉冲易化指数(PPF)且可用于大面积柔性显示的有机神经形态材料的制备方法，步骤如下：

mL的玻璃瓶中，加入10mL四氢呋喃溶剂，盖紧盖子避免溶剂挥发，待样品完全溶解后，得到浓度为100mg/mL的无色透明溶液

S2、客体分子D4的合成

图2示出

S3、称取步骤S2中客体分子质量为5mg，放入洁净干燥的容器中

S4、量取S1中的主体(I)溶液1mL，以质量分数为5％的掺杂比例溶解步骤S3中称取的样品，超声均匀分散。

S5、将S4中分散好的透明液体倒在柔性基底上，通过刮涂工艺在柔性基底上铺展开来。

实施例2

一种具有高的双脉冲易化指数(PPF)且可用于大面积柔性显示的有机神经形态材料的制备方法，步骤如下：

S1、主体分子(I)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的溶液配制：称取1g PMMA盛放在干燥洁净的20mL的玻璃瓶中，加入10mL四氢呋喃溶剂(或采用二氯甲烷或者三氯甲烷为溶剂)，盖紧盖子避免溶剂挥发，待样品完全溶解后，得到浓度为100mg/mL的无色透明溶液

S2、客体分子D3的合成

图6示出

S3、称取步骤S2中客体分子质量为5mg，放入洁净干燥的容器中

S4、量取S1中的主体(I)溶液1mL，以质量分数为5％的掺杂比例溶解步骤S3中称取的样品，超声均匀分散。

S5、将S4中分散好的透明液体倒在柔性基底上，通过刮涂工艺在柔性基底上铺展开来。

实施例3

一种具有高的双脉冲易化指数(PPF)且可用于大面积柔性显示的有机神经形态材料的制备方法，步骤如下：

S1、主体分子(I)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的溶液配制：称取1g PMMA盛放在干燥洁净的20mL的玻璃瓶中，加入10mL四氢呋喃溶剂，盖紧盖子避免溶剂挥发，待样品完全溶解后，得到浓度为100mg/mL的无色透明溶液；

S2、客体分子D2的合成

图10示出

S3、称取步骤S2中客体分子质量为5mg，放入洁净干燥的容器中；

S4、量取S1中的主体(I)溶液1mL，以质量分数为5％的掺杂比例溶解步骤S3中称取的样品，超声均匀分散。

S5、将S4中分散好的透明液体倒在柔性基底上，通过刮涂工艺在柔性基底上铺展开来。

实施例4

一种具有高的双脉冲易化指数(PPF)且可用于大面积柔性显示的有机神经形态材料的制备方法，步骤如下：

S1、主体分子(I)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的溶液配制：称取1g PMMA盛放在干燥洁净的20mL的玻璃瓶中，加入10mL四氢呋喃溶剂，盖紧盖子避免溶剂挥发，待样品完全溶解后，得到浓度为100mg/mL的无色透明溶液；

S2、客体分子D1的合成

图14示出

S3、称取步骤S2中客体分子质量为5mg，放入洁净干燥的容器中；

S4、量取S1中的主体(I)溶液1mL，以质量分数为5％的掺杂比例溶解步骤S3中称取的样品，超声均匀分散。

S5、将S4中分散好的透明液体倒在柔性基底上，通过刮涂工艺在柔性基底上铺展开来。

二、突触性能验证

图像记忆过程如图18，过程如下：

S1、将柔性器件放置桌面上，后在器件上面放置有图案的掩模版，利用395nm手电光照，使其通过掩模版照射到柔性器件上。照射一段时间后器件由透明变为绿色，并且呈现出掩模版上的图案。

S2、在照射不同次数过程中，吸收值相应的变化如图19所示。

S3、短时间下的照射可以实现成像与恢复的快速过程，类似于突触的短程可塑性。长时间的照射后，由于材料发生变质，图案变成黄色，且永久不消褪，该过程类似于突触的长程可塑性过程。具体记忆变色过程如图20所示。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。