一種長時程記憶的頻率響應學習器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種長時程記憶的頻率響應學習器及其制備方法，屬于信息電子材料技術領域。
【背景技術】
[0002]模擬神經突觸可塑性，實現類腦計算是當今信息、材料、計算機、神經科學領域的科學家和工程師共同關注的問題。現已發明很多憶阻器來模擬神經突觸可塑性，如各種金屬氧化物，金屬導電細絲類型的阻變存儲器等，均可以模擬神經突觸的時間相關可塑性(STDP)和頻率相關可塑性(SRDP)。然而，這些器件與真實生物突觸的性質相差比較遠，例如，工作介質不清楚、機理不清晰，在刺激作用下不具備自適應性，突觸權重隨刺激次數無限增加，突觸權重隨刺激頻率增大無限增大，或者沒有長時程效應，等等。因此迫切需要找到更接近生物突觸性質的器件，來模擬突觸的學習功能，從而真正邁向類腦計算。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種長時程記憶的頻率響應學習器及其制備方法，本發明可以在輸入刺激閾值范圍內出現自適應的頻率選擇性響應，且這種選擇性具有長時程效應。
[0004]本發明提供的頻率響應學習器，它包括依次設置的底電極、介質層和頂電極，其特征在于:所述介質層為設置在所述底電極一面上的半導體有機物層和設置在所述頂電極一面上的聚合物電解質層；
[0005]所述半導體有機物層為可溶性聚對苯乙炔或可溶性聚對苯乙炔的衍生物，所述聚合物電解質層為聚環氧乙烷摻雜金屬絡合物鹽。
[0006]上述的學習器，所述學習器還包括導電基片；
[0007]所述底電極非設置所述介質層的一面通過過渡層沉積在Si基片上，所述Si基片是經過300nm氧化的Si (100)基片；
[0008]所述過渡層為Ti層，所述過渡層的厚度可為20nm。
[0009]上述的學習器，所述底電極的厚度可為50?300nm，具體可為150nm ；
[0010]在所述介質層中，所述半導體有機物層的厚度可為50?lOOnm，具體可為70nm，所述聚合物電解質層的厚度可為7?ΙΟμ??，具體可為8μ?? ;
[0011]所述頂電極的厚度可為60?lOOnm，具體可為70nm。
[0012]上述的學習器，所述底電極和所述頂電極均采用鉑(Pt)、金(Au)或鈀(Pd)制成；
[0013]所述聚合物電解質層中，所述聚環氧乙烷中環氧乙烷單體與所述金屬絡合物鹽中金屬陽離子的摩爾比可為16?32:1，具體可為16:1。
[0014]上述的學習器，所述可溶性聚對苯乙炔(簡稱PPV)的衍生物為聚[2-甲氧基-5 ^ -乙基己氧基)_1，4-苯乙炔](簡稱MEH-PPV)、氰基聚苯撐乙烯(簡稱CN-PPV)或聚[2-甲氧基-5-C ,V - 二甲基辛氧基)-1,4-苯乙炔](簡稱MDM0-PPV);
[0015]所述金屬絡合物鹽為LiCF3SO3' KCF3SO3' Ba (CF3SO3) 2、Ca (CF3SO3) 2、Nd (CF3SO3)3和CsClO4中至少一種。
[0016]上述的學習器，所述可溶性聚對苯乙炔的分子量可為150000?250000 ；
[0017]所述可溶性聚對苯乙炔的衍生物的分子量可為150000?250000 ；
[0018]所述聚環氧乙烷的分子量可為70000?200000，具體可為100000。
[0019]本發明還提供了上述的學習器的制備方法，包括如下步驟:1)在非沉積所述導電基片上的所述底電極的一面上涂覆所述可溶性聚對苯乙炔或所述可溶性聚對苯乙炔的衍生物，烘干，得到所述半導體有機物層；然后在所述半導體有機物層上涂覆所述聚環氧乙烷(PEO)摻雜金屬絡合物鹽的水溶液，得到所述聚合物電解質層，烘干，得到設置在所述底電極上的介質層；
[0020]2)在所述聚合物電解質層上添加掩模板，在所述掩模板上蒸鍍所述頂電極，除去所述掩膜板，即得到所述學習器。
[0021]上述的方法，所述導電基片上沉積所述底電極采用物理氣相沉積法，本發明采用商購的Pt片沉積在S12基片上；
[0022]涂覆所述半導體有機物層采用旋轉涂覆，所述旋轉涂覆的速度可為1500?2500rpm，具體可為2000rpm，時間可為50?80s，具體可為70s ；
[0023]烘干所述可溶性聚對苯乙炔或所述可溶性聚對苯乙炔的衍生物的溫度可為40?70°C，具體可為50°C，時間可為5?12h，具體可為5.5h ；
[0024]所述聚環氧乙烷摻雜金屬絡合物鹽的水溶液的質量百分濃度可為0.5?2wt% ;
[0025]烘干所述聚環氧乙烷摻雜金屬絡合物鹽的水溶液的溫度可為65?100°C，具體可為75°C，時間可為10?30min，具體可為20min。
[0026]上述的方法，所述掩模板為設有圓孔圖形、直線圖形、弧線圖形或折線圖形的金屬板，所述金屬板采用不銹鋼材質制成，當所述掩膜板為設有圓孔圖形的金屬板時，所述圓孔的直徑可為10nm?0.3mm，具體可為0.3mm ；
[0027]所述蒸鍍的條件為:真空度為小于I(T8Torr,沉積速率為0.03?0.05nm/s。
[0028]本發明頻率響應學習器應用于模擬神經突觸領域中，在應用本發明頻率響應學習器時，響應的頻率區間為IHz?200Hz ;在應用時，所述學習器具有頻率相關可塑性，即SRDP,在低頻刺激下產生抑制，在高頻刺激下產生興奮。
[0029]使用本發明頻率響應學習器時，其學習記憶能力包括但并不限于:對在輸入刺激閾值范圍內的脈沖信號產生具有選擇性的頻率響應，較低頻(IHz?80Hz)刺激時響應呈抑制性，即相對于基頻刺激(IHz)的響應權重變化小于100%;而較高頻率(80Hz?200Hz)刺激時產生興奮性響應，即相對于基頻刺激(IHz)的響應權重變化大于100%。頻率響應的選擇性具有長程效應，抑制/興奮響應可以維持10分鐘以上。通過對本發明器件在常規脈沖測試前進行的額外“抑制性”或“興奮性”刺激，可以改變測試中器件由抑制轉為興奮的閾值頻率。
[0030]本發明具有以下優點:
[0031 ] 1、本發明可以在輸入刺激閾值范圍內出現自適應的頻率選擇性響應，且這種選擇性具有長時程效應，該器件是具有長時程記憶的頻率相關學習器。
[0032]2、本發明的記憶能力由抑制性轉為興奮性的閾值可以通過預先的刺激進行調制。
[0033]3、本發明通過離子迀移實現學習與記憶功能，在性能和結構兩方面都具有對神經突觸的較好模擬。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發明的結構示意圖。
[0035]圖2為本發明頻率響應學習器的電壓電流循環掃描曲線圖，其中圖2(a)為電壓在-2V?2V范圍內的循環掃描圖，圖2 (b)為電壓在O?2V范圍內的循環掃描圖，2 (c)為電壓在O?-2V范圍內的循環掃描圖。
[0036]圖3為本發明頻率響應學習器的脈沖頻率依賴可塑性曲線(SRDP)圖。
[0037]圖4為本發明頻率響應學習器的脈沖測試結果圖，其中，圖4(a)為使用的脈沖測試，圖4(b)為反向電流峰值隨脈沖刺激次數變化的圖。
[0038]圖5為本發明頻率響應學習器的頻率相關學習性能的長程性曲線圖。
[0039]圖6為本發明頻率響應學習器的閾值滑動曲線圖。
【具體實施方式】
[0040]下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。
[0041 ] 下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。
[0042]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行進一步說明，但本發明并不局限于此，凡在本發明的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
[0043]實施例1、Pt/MEH-PPV/PE0-LiCF3S03/Pt 頻率響應學習器
[0044]I)將商購的Si基片上通過20nm的過渡層Ti鍍有150nm厚Pt基片，Si基片為氧化300nm的Si (100))，用丙酮、酒精和去離子水依次超聲清洗4_8分鐘，用氮氣吹干。將清洗后的基片置于勻膠臺上，旋轉涂覆3.5 μ I甲氧基-5 (2'-乙基己氧基)-1，4-聚對苯乙炔(MEH-PPV，分子量為150000?250000)，