新型材料体系双电层突触晶体管的研究

摘要

双电层突触晶体管因其具有超低的工作电压、高离子迁移率等优点引起了广泛的关注。为进一步提高双电层突触晶体管的电学性能，选择合适的栅介质材料成为有效途径之一。本文从新型栅介质材料体系入手，利用KH550-GO、PSG和甲基纤维素固态电解质作为栅介质设计和制备双电层突触晶体管，并分析器件的电学性能。进一步拓展该双电层突触晶体管作为人造突触器件在突触可塑性仿生领域的应用，这有助于简化神经形态电路设计和降低系统功耗，并将为实现人工智能和人造大脑提供了可选择的微电子元器件和理论支持。本文主要研究内容如下： 首先，利用GO中羧基和KH550中的氨基之间的缩合反应，制备了KH550-GO固体电解质薄膜，并以此为栅介质制备出KH550-GO固态电解质双电层突触晶体管。研究发现KH550-GO固体电解质具有优异的调控效应。进一步设计出基于该晶体管的电阻负载型反相器，反相器的电压增益会随VDD的增加而逐渐从6.2增加到24，结果表明该晶体管可调控电压增益从而达到驱动逻辑电路下一级元件的要求。将器件的底栅结构扩展成双侧栅结构，并在此基础上实现了“与”门逻辑运算功能。最后利用该器件成功实现生物突触可塑性的仿生，包括EPSC、PPF、Filter、Adaption等短程塑性，STP向LTP的转变，以及刺激-依赖可塑性。 其次，采用PECVD设备制备了纳米颗粒PSG薄膜，并以此为栅介质制备了纳米颗粒PSG薄膜双电层突触晶体管。研究发现该晶体管展现出优异的电学特性。其工作电压、电流开关比和场效应迁移率分别为1.2 V，1.2 ×107和3.2 cm2/V·s。以纳米颗粒PSG薄膜双电层突触晶体管作为人造突触模拟生物突触可塑性行为，发现该器件的突触可塑性具有活性依赖和湿度依赖。 最后，在ITO导电玻璃衬底上，以甲基纤维素为栅介质制备双电层突触晶体管。研究结果表明甲基纤维素的电容在频率为1 Hz时为1.7μF/cm2。甲基纤维素具有疏松的微结构，其内部孔道充当了质子移动的通道，质子电导率高达1.0×10-3 S/cm。该双电层突触晶体管的工作电压仅为1.0 V、开关电流比大于106、亚阈值斜率为84.5 mv/dec.，以及场效应迁移率为38.4 cm2/V·s。通过改变加载脉冲的波形、幅值、宽度以及数量来模拟生物突触中动作电位的诱发过程，这一研究结果类似于生物突触的EPSP变化特性。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2双电层突触晶体管的简介

1.2.1双电层突触晶体管的工作原理

1.2.2双电层突触晶体管的研究现状

1.2.3双电层突触晶体管的突触可塑性研究现状

1.3选题依据

1.4主要研究内容

第二章 KH550-GO固态电解质双电层突触晶体管

2.1 引言

2.2 KH550-GO固态电解质薄膜的制备及表征

2.2.1 KH550-GO固态电解质薄膜的制备

2.2.2 KH550-GO固态电解质薄膜的表征

2.3 KH550-GO固态电解质双电层突触晶体管的制备及表征

2.4 KH550-GO固态电解质双电层突触晶体管的逻辑功能应用

2.5 KH550-GO固态电解质双电层突触晶体管的电阻负载型反相器

2.6 KH550-GO固态电解质双电层突触晶体管的突触可塑性

2.6.1 兴奋性后突触电流特性的仿生

2.6.2 双脉冲易化特性的仿生

2.6.3 高通滤波特性的仿生

2.6.4 感官适应性行为的仿生

2.6.5 短程塑性到长程塑性转变的仿生

2.6.6 刺激-依赖可塑性的仿生

2.7 本章小结

第三章 纳米颗粒PSG薄膜双电层突触晶体管

3.1 引言

3.2 纳米颗粒PSG 膜的制备及表征

3.2.1 纳米颗粒PSG 薄膜的制备

3.2.2 纳米颗粒PSG薄膜的表征

3.3 纳米颗粒PSG薄膜双电层突触晶体管的制备

3.4 纳米颗粒PSG薄膜双电层突触晶体管的电学性能

3.5 纳米颗粒PSG薄膜双电层晶体管的活性依赖突触可塑性

3.5.1 活性依赖的兴奋性后突触电流特性

3.5.2 活性依赖的双脉冲易化特性

3.5.3 活性依赖的高通滤波特性

3.6 纳米颗粒PSG薄膜双电层晶体管的湿度依赖突触可塑性

3.6.1 湿度依赖的兴奋性后突触电流特性

3.6.2 湿度依赖的双脉冲易化特性

3.6.3 湿度依赖的高通滤波特性

3.7 本章小结

第四章 甲基纤维素双电层突触晶体管

4.1 引言

4.2 甲基纤维素双电层突触晶体管的制备

4.3 甲基纤维素薄膜的表征

4.4 甲基纤维素双电层突触晶体管的电学性能

4.5 甲基纤维素双电层突触晶体管的电阻负载型反相器

4.6 甲基纤维素双电层突触晶体管的兴奋性突触后电位特性

4.7 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致 谢

在校期间发表的学术成果