一种可压力调控的忆阻器阵列及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及忆阻器技术领域，更具体地，涉及一种可压力调控的忆阻器阵列及其制备方法和应用。

背景技术

随着物联网、元宇宙等新兴人工智能信息技术的蓬勃发展，中央处理器需要存储和处理的信息量呈指数式膨胀增长。这使得在通过海量前端数据进行机器学习和优化的大数据时代中，基于数据总线交换信息的传统冯诺依曼架构计算机系统已无法满足需求，因此“存算一体”的新型架构应运而生。近年来，基于两端忆阻器的类脑神经形态计算系统得到了显著的发展，为实现具有大规模、高算力信息处理单元提供了理想方案。

忆阻器经过近十几年的发展，因其数据传输速率快、存取时间短、功耗低以及与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术兼容等优点，成为下一代高容量信息存储和计算系统的有力竞争者。然而，传统忆阻器阵列只能通过电信号进行调节，这极大地限制了其在感知计算领域的应用。为探索忆阻器阵列新的调节方式，研究者开始将基于忆阻器的柔性人工突触器件集成到带有传感器的多模式融合传感电子皮肤中，以实现近传感或传感内计算。这种设计模仿了人体感知系统，通过柔性传感器和外部电路构建人工传感器系统，以实现感知和分析人体生理信号。

例如，现有技术公开了一种基于压阻式传感器的低功耗神经拟态触觉感知系统，利用莫特忆阻器结合压阻式传感器可以实现将压力信号转换为尖峰信号。但是，该系统无法实现数据的存储，从而无法适用于通过压力进行外部输入图案和数字从而实现长期储存的场景，如手写字母的输入与存储。因此，开发可实现压力调控，且适用于力控的输入与存储的场景的忆阻器，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有忆阻器的忆阻电导难以通过感觉系统调控，或无法适用于通过力控进行图形等信息的输入与存储的缺陷或不足，提供一种可压力调控的忆阻器阵列的制备方法。该制备方法得到的忆阻器阵列不仅可以通过电信号或压力来进行调控，而且可以通过力控进行图形和数字等信息的输入和存储，实现忆阻器阵列在感知计算领域的广泛应用。

本发明的另一目的在于提供一种可压力调控的忆阻器阵列。

本发明的又一目的在于提供一种可压力调控的忆阻器阵列在制备感存算一体设备中的应用。

本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：

一种可压力调控的忆阻器阵列的制备方法，包括以下步骤：

S1.在柔性基底上形成若干条忆阻器底电极，然后旋涂碳化钛分散液，再进行等离子体氧化处理，得到异质结薄膜-底电极-柔性基底；

S2.在异质结薄膜-底电极-柔性基底上形成若干条忆阻器顶电极，然后从每条忆阻器顶电极延伸出叉指电极，再在每条叉指电极的表面形成压敏层，即得所述可压力调控的忆阻器阵列；

所述忆阻器底电极与忆阻器顶电极形成交叉阵列结构。

本发明的制备方法通过旋涂的方式形成碳化钛薄膜，然后进行等离子体氧化处理，可以使碳化钛薄膜的表面形成一层无定型氧化层，从而形成异质结薄膜；柔性基底、底电极、异质结薄膜和顶电极构成忆阻器单元，而每条叉指电极与压敏层形成若干传感模块，若干传感模块构成整体的传感器单元，通过顶电极和叉指电极的连接来实现忆阻器单元与传感器单元的连接，进而得到忆阻器阵列。该制备方法得到的忆阻器阵列不仅可以通过电信号或压力来进行调控，而且可以通过力控进行图形和数字等信息的输入和存储，实现忆阻器阵列在感存算一体设备的广泛应用。其中，通过力控进行图形和数字等信息的输入和存储的原理为：对不同位置的传感模块施加压力，传感模块将压力转化为电信号，并通过忆阻器单元中相应位置的人工突触来实现电信号的存储，从而实现对不同位置的压力的存储，而不同位置的压力可以对应相应的图形信息，实现图形信息的存储。

此外，本发明采用等离子体的方式进行氧化处理，其在常温的条件下操作即可形成异质结薄膜，避免了高温操作(比如，高温退火)。

优选地，步骤S1所述忆阻器底电极为金电极或铂电极等惰性电极。

优选地，步骤S1所述忆阻器底电极的形成方式为：掩膜版电子束蒸镀、无膜模光刻、热蒸镀或磁控溅射。

优选地，步骤S1所述柔性基底为聚酰亚胺基底或聚对苯二甲酸乙二醇酯基底。

优选地，步骤S1所述碳化钛分散液浓度为5～10mg/ml，具体可以为5mg/ml、6mg/ml、7mg/ml、8mg/ml、9mg/ml或10mg/ml。

优选地，步骤S1所述旋涂的碳化钛分散液的单次用量为0.5～3mL。

优选地，步骤S1所述旋涂的转速为800～2000rpm，单次时间为30～180s。

优选地，步骤S1所述旋涂的次数为2～10次。

优选地，步骤S1所述等离子体氧化处理的功率为100～500W。

优选地，步骤S1所述等离子体氧化处理的时间为1～30min。

更为优选地，所述等离子体氧化处理的时间为10～30min。

优选地，步骤S1所述忆阻器底电极的数量≥1条，更优选为1～10条。

优选地，步骤S2所述忆阻器顶电极的数量≥4条，更优选为4～100条。相应地，叉指电极的数量与忆阻器顶电极的数量相同，叉指电极的数量也≥4条，更优选为4～100条。

优选地，步骤S2所述忆阻器顶电极均为银电极、铝电极或钛电极；所述叉指电极为银电极、铝电极或钛电极。

优选地，步骤S2所述忆阻器顶电极的形成方式为：所述叉指电极的形成方式为：掩膜版电子束蒸镀、无膜模光刻、热蒸镀或磁控溅射。

优选地，步骤S2形成压敏层的方式为：在所述每条叉指电极上印刷压敏油墨，或将修饰有压力敏感材料的柔性材料层固定在所述每条叉指电极上。

更为优选地，所述压力敏感材料为碳化钛、碳纳米管、石墨烯、银纳米线、聚吡咯中的一种或多种。

更为优选地，所述修饰有压力敏感材料的柔性材料层的制备过程为：将聚二甲基硅氧烷与固化剂混合，倾倒在砂纸表面固化，去除砂纸后得到砂纸倒模的聚二甲基硅氧烷，进行亲水处理，在将碳化钛分散液旋涂在砂纸倒模的聚二甲基硅氧烷的表面，得到修饰有压力敏感材料的柔性材料层。

一种可压力调控的忆阻器阵列，通过上述制备方法制备得到。

上述可压力调控的忆阻器阵列在制备感存算一体设备中的应用也在本发明的保护范围之内。

优选地，所述感存算一体设备为可储存图形信息的感存算一体设备。

本发明具有以下有益效果：

本发明制备方法得到的可压力调控的忆阻器阵列不仅可以通过电信号或压力来进行调控，而且可以通过力控进行图形和数字等信息的输入和存储，实现忆阻器阵列在感存算一体设备的广泛应用。

附图说明

图1为实施例1的可压力调控的忆阻器阵列的结构示意图。

图2为实施例1的可压力调控的忆阻器阵列的实物图。

图3为实施例1的可压力调控的忆阻器阵列传感器单元在不同压力下的电流变化响应曲线图。

图4为实施例1的可压力调控的忆阻器阵列忆阻器单元的伏安特性曲线图。

图5为实施例1的可压力调控的忆阻器阵列在不同压力下的响应图。

图6为实施例1的可压力调控的忆阻器阵列在输入“X”图形1小时后，忆阻器阵列权重读取图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，本发明的实施例和对比例所用试剂和材料均为市购。

实施例1

本实施例提供一种可压力调控的忆阻器阵列的制备方法，包括如下步骤：

(1)在PI(聚酰亚胺)基底上通过掩膜版电子束蒸镀的方法蒸镀3条忆阻器金底电极，得到底电极-柔性基底，用PI胶带将PI基底的非工作区域进行遮挡，然后在工作区域(10mm*10mm)均匀地旋涂浓度为8mg/mL的碳化钛纳米片(Ti

(2)通过氧等离子处理的方式(处理功率为150W，处理时间为10min)对碳化钛薄膜进行氧化，得到异质结薄膜-底电极-柔性基底；

(3)通过掩模版电子束蒸镀的方法，在异质结薄膜-底电极-柔性基底上蒸镀与忆阻器金底电极形成交叉阵列结构的忆阻器银顶电极，忆阻器银顶电极的数量为9条，形成忆阻器单元，继续通过掩模版电子束蒸镀的方法形成与每条忆阻器银顶电极连接的叉指电极，每条忆阻器银顶电极连接一条叉指电极，即叉指电极的数量也为9条；

(4)将聚二甲基硅氧烷(PDMS，道康宁)与固化剂以10：1的质量比混合，倾倒在220目砂纸表面，在60℃下固化两小时，将砂纸去除，得到砂纸倒模的聚二甲基硅氧烷；将聚二甲基硅氧烷基底置于O

图1为本实施例的可压力调控的忆阻器阵列结构示意图，图1中，传感器单元包括9个传感模块，忆阻器单元的忆阻器银顶电极为9条。图2为实施例1的可压力调控的忆阻器阵列的实物图。

实施例2

本实施例提供一种可压力调控的忆阻器阵列的制备方法，其与实施例1不同之处在于：第(2)步的氧等离子处理功率为200W。

实施例3

本实施例提供一种可压力调控的忆阻器阵列的制备方法，其与实施例1不同之处在于：第(2)步的氧等离子处理功率为250W。

实施例4

本实施例提供一种可压力调控的忆阻器阵列的制备方法，其与实施例1不同之处在于：第(2)步的氧等离子处理功率为300W。

实施例5

本实施例提供一种可压力调控的忆阻器阵列的制备方法，其与实施例1的不同之处在于：第(4)步为：将压敏油墨直接印刷到每一条叉指电极的表面，即得可压力调控的忆阻器阵列。

实施例6

本实施例提供一种可压力调控的忆阻器阵列的制备方法，其与实施例1的不同之处在于：第(1)步共旋涂8次。

性能测试

(1)传感器单元测试

将实施例1的可压力调控的忆阻器阵列中的传感器单元进行不同压力下响应电流测试，传感器单元的响应电流变化率随着压力的变化图如图3所示。由图3可以发现，随着压力的增加，传感器单元的响应电流逐渐增大，电流的变化率也随着增加。这说明本发明的可压力调控的忆阻器阵列中的传感器单元在不同压力下，可以实现阻态变化。这是因为：随着压力的增加，压敏层与叉指电极的接触面积不断增大，相当于多个电阻并联，使得传感器单元总电阻降低，因此电流增大。实施例2～6的可压力调控的忆阻器阵列中的传感器单元具有相似的效果。

(2)忆阻器单元测试

取实施例1的可压力调控的忆阻器阵列，对其忆阻器单元进行I-V特性测试，结果如图4所示，从图4可知，实施例1的可压力调控的忆阻器阵列的忆阻器单元表现出明显的阻变滞回曲线特性。其机理是：在外加电压改变，控制Ag+在异质结功能层中的积累与断裂。当顶电极施加正电压，顶电极Ag失电子形成Ag+，并在电场作用下向底电极移动，还原成Ag颗粒，形成导电细丝，忆阻器从高阻态变为低阻态；加反向电压后，通道的Ag又重新被氧化为Ag+使得导电细丝断裂，又重新变为高阻态。实施例2～6的可压力调控的忆阻器阵列中的忆阻器单元具有类似的效果。

(3)可压力调控的忆阻器阵列伏安特性曲线测试

在实施例1可压力调控的忆阻器阵列的传感器单元中的底部叉指电极加高电平，在忆阻器单元底电极输出，实验结果如图5所示，图5A为施加在传感器单元上的压力曲线；图5B为未加忆阻器的条件下，传感器单元在图5A的压力下的响应曲线；图5C为实施例可压力调控的忆阻器阵列，在图5A的压力下的响应曲线。从图5可以看到：

当施加的压力值大于忆阻器单元的感知电压阈值时，人工神经突触输出的兴奋性突触后电流(EPSC)值会随着施加的连续脉冲数的增加而逐渐增大。这是因为施加在传感器单元上的脉冲压力会以脉冲电压的形式传递给忆阻器单元，使忆阻器单元输出的突触权重值在连续脉冲的调节下增加。调节忆阻器突触权重的功能是通过调节传感器单元的压力输入来实现的。但是，如果施加的压力过大，忆阻器单元的突触权重值在开始时会进入接近饱和状态，使EPSC随脉冲的变化不明显。以上表明本发明实施例1可压力调控的忆阻器阵列可以实现通过压力进行调控。实施例2～6的可压力调控的忆阻器阵列具有类似效果。

(4)可压力调控的忆阻器阵列图形输入与储存测试

在传感器单元中特定位置的传感模块(特定位置的传感模块形成“X”图形)施加压力，从而将“X”图形信号输入到实施例1可压力调控的忆阻器阵列的忆阻器单元，并存储到该忆阻器阵列的忆阻器单元中。图6为信号输入1小时后，忆阻器阵列权重图，从图6可知，经过一小时存储后，依然可以清晰的读出“X”图形(写入电压5V，读取电压0.1V)。表明本发明的可压力调控的忆阻器阵列可以通过压力信号，实现预定图案的写入和存储。实施例2～6的可压力调控的忆阻器阵列具有类似效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。