低压氧化物双电层突触晶体管及其湿度传感应用

论文摘要

人脑是一种高度复杂的神经网络和信息处理系统,脑启发神经形态计算领域可以打破“冯诺依曼瓶颈”,为电子集成系统的超高性能和超低功耗提供了新思路。突触电子学旨在从物理层面上构建如人脑神经网络一样的电路,实现大规模并行计算和高度塑性,并研发可以进行突触仿生和神经计算等功能的新型电子器件。在大规模阵列构建中,三端突触晶体管可以有效避免寄生电流导致的潜通路现象;还可以简化电路实现多端输入协同工作,不仅可以模拟突触可塑性功能,更符合神经形态工程高并行度和高紧密度的要求。双电层薄膜晶体管（Electric-Double-Layer Thin-Film-Transistors,EDL TFTs）就是一种典型的三端突触晶体管。双电层TFTs利用电解质巨大的双电层电容有效实现了超低电压工作;并因离子运动引发的弛豫,可以用来模拟突触可塑性,而且容易扩展成为多栅结构,实现多输入整合,与神经元树突整合的工作方式类似,因此双电层TFTs在神经形态工程和生物化学传感领域备受关注。固态电解质栅介质具有较大的双电层电容,并且容易加工制备,用作双电层TFTs的栅介质材料,可以降低器件工作电压,并具有较好的结构扩展性和稳定性。本论文以复合电解质薄膜为双电层TFTs的栅介质,制备了氧化物基双电层TFTs突触器件,进行了多种突触可塑性的模拟,并研究了其在湿度传感领域的应用,具体工作如下:1.以壳聚糖/氧化石墨烯复合电解质膜为栅介质,分别在玻璃衬底和柔性衬底上制备了氧化物双电层TFTs。研究了壳聚糖/氧化石墨烯复合薄膜的离子导电行为以及双电层电容的形成机理。玻璃衬底上的氧化铟镓锌（IGZO）基双电层突触晶体管的饱和场效应迁移率可达24.9 cm2V-1s-1。并用该突触器件成功模拟了光电突触的一系列可塑性,包括电刺激突触的单脉冲短程塑性、双脉冲易化（PPF）和基于短程塑性的滤波特性;光刺激突触的突触后兴奋电流（EPSC）、时间累积特性以及PPF现象。纸张衬底上的氧化钢锌（IZO）基双电层TFTs饱和场效应迁移率可达33.8 cm2V-1s-1。同时引入了基于柔性IZO基双电层TFTs的电阻负载型反相器突触器件。在该器件的双侧栅工作模式下,实现了“与非”门（“NAND”）逻辑功能;并用该反相器突触器件成功实现了兴奋性突触后电压（EPSP）的模拟。2.采用溶液法制备了聚乙烯醇/氧化石墨烯复合薄膜,在频率为1Hz时有较大的双电层电容,可达2.62μF/cm2。在氧化铟锡（ITO）玻璃衬底上,以聚乙烯醇/氧化石墨烯复合膜为栅介质层,用“一步法”成功制备了 IZO基双电层突触晶体管。在该器件的双侧栅工作模式下,实现了“与”门（“AND”）逻辑功能。并用该突触器件成功模拟了电突触的一系列长程可塑性,包括单脉冲长程塑性、多脉冲长程塑性和时间整合以及尖峰时间依赖可塑性（STDP）。在纸张衬底上以聚乙烯醇/氧化石墨烯复合膜为栅介质层制备了柔性IGZO基双电层TFTs。并成功实现了光脉冲刺激下EPSP的模拟。构建了光脉冲突触可塑性随栅电压变化的反相器突触器件。3.研究了以氧化石墨烯/壳聚糖复合电解质为栅电介质的IZO基突触晶体管的动态尖峰湿度传感特性。用EPSC、双脉冲易化指数（PPF index）和高通滤波系数等短程动态突触可塑性参数来定量地表征相对湿度。发现IZO基突触晶体管的尖峰湿度响应时间和能耗分别为30 ms和2.2 nJ。同时,提出了电解质湿度调控和水分子在IZO沟道表面吸附的模型。以聚乙烯醇/氧化石墨烯复合薄膜为栅介质的柔性纸张IGZO基双电层TFTs在低湿度下表现出稳定的尖峰电压传感特性。且器件有良好的弯曲稳定性,可用于柔性传感、可穿戴设备以及柔性显示等领域。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 聂莎

导师: 万青

关键词: 神经形态工程,双电层薄膜晶体管,复合栅介质,光电突触器件,尖峰湿度传感

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,生物学,无线电电子学,自动化技术

单位: 南京大学

分类号: Q811.211;TN321.5;TP212.9

总页数: 109

文件大小: 11115K

下载量: 286

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