一种基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器及其制备方法

本发明属于忆阻器领域，具体地，涉及一种基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器及其制备方法。

背景技术：

1、在生物感知系统中，人体的感受器和神经元感知复杂的环境信息并将其编码为尖峰脉冲信号，随后尖峰脉冲信号被传递到大脑皮层进行进一步的处理。生物感知系统具有的高并行、低功耗、高容错等独特优势，使其性能远优于最强大的计算机。人类从高效的生物感知系统中汲取灵感，将传感器与人工神经元结合，开发能够实现上述感知和脉冲编码功能的人工感知系统，在智能机器人、神经形态计算等领域展现出了广阔的应用前景。

2、其中，人工神经元作为人工感知系统的重要组成部分，负责将模拟信号转换为神经形态计算系统可以处理的脉冲信号，近年来受到了广泛的研究。在各类新兴的器件中，阈值开关型动态忆阻器由于丰富的动力学特性以及易失存储特性，成为构建尖峰编码的人工神经元重要候选器件。

3、目前，如中国专利cn113540346a公开的一种平面结构有机/无机复合钙钛矿忆阻器，从下到上依次为基板、模板层、阻变层、电极。其制备方法为：首先，在基板上制备一层模板层，其次在模板层上采用溶液旋涂法制备一层有机/无机复合钙钛矿阻变层，最后在阻变层上采用真空沉积的方法制备电极。该方法利用模板层调控阻变层的化学成分分布，在阻变层的上表面产生过量的阴离子，在电场作用下通过调控阴离子的移动实现忆阻器高低电阻态间的转变。但是大多数人工感知系统中的阈值开关型动态忆阻器是在刚性基板上制造的，这阻碍了其在柔性、可穿戴电子设备中的应用。

4、与无机忆阻器相比，有机忆阻器在制备柔性电子器件时更有优势，因为大多数聚合物都是天生的柔性。有机忆阻器除了具有优异的柔性性能外，还具有制造工艺简单和生物相容性的优点。然而，虽然有机忆阻器得到了广泛的研究，但大多集中在非易失特性，关于易失性的研究较少。同时，还存在如塑料基柔性忆阻器无法克服高温等极限条件，多次弯曲性能退化等问题。

5、2014年，tour团队首次提出激光诱导石墨烯lig技术，在聚酰亚胺薄膜上借助激光高效定制化石墨烯电极，无需掩模版。之后，科研人员从前驱体材料、气体氛围以及激光参数等多方面入手，不断提升lig的性能，所制备的lig表现出形貌可控、孔隙率高、机械性能稳定、导电性良好、生物相容等优点。在各类碳源衬底中，聚酰亚胺薄膜由于优异的热稳定性以及绝缘特性，成为应用最为广泛的前驱体材料。由此可得，基于聚酰亚胺衬底的lig在高温、弯曲领域有着独特优势。然而，目前lig多用于传感、储能、杀菌等领域，在柔性忆阻器方面的应用还未见到。

6、因此，开发适应高温、弯曲极限条件的易失性柔性阈值开关型动态忆阻器具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中提到的技术问题，本发明的目的在于设计一种适应高温、弯曲极限条件的易失性柔性阈值开关型动态忆阻器。

2、一种基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器，包括衬底、底电极、介质层和顶电极；

3、所述底电极设置在衬底上；

4、所述介质层设置在底电极上；

5、所述顶电极设置在介质层上；

6、所述衬底为聚酰亚胺薄膜；

7、所述底电极为激光诱导石墨烯电极；

8、所述介质层为聚酰亚胺薄膜；

9、所述顶电极为银薄膜电极；

10、所述底电极的线条与顶电极的线条垂直。

11、优选地，所述衬底的长为10～25mm；所述衬底的宽为10～25mm；所述衬底的厚度为50～125um。

12、优选地，所述底电极的线宽为20～90um，所述底电极的厚度为10～45um。

13、优选地，所述介质层的长为5～15mm，所述介质层的宽为5～15mm，所述介质层的厚度为50nm～500nm。

14、优选地，所述顶电极的线宽为50～150um；所述顶电极的厚度为100～200nm。

15、一种基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器的制备方法，包括以下步骤：

16、步骤s1、裁剪聚酰亚胺薄膜作为衬底；

17、步骤s2、使用激光器扫描衬底，诱导聚酰亚胺薄膜的顶部转变为激光诱导石墨烯电极，作为底电极；

18、步骤s3、利用溶液旋涂法在底电极上旋涂聚酰亚胺溶液，热处理固化后得到聚酰亚胺薄膜，作为介质层；

19、步骤s4、在介质层上使用热蒸镀技术沉积银薄膜，作为顶电极；得到基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器。

20、优选地，所述步骤s2中，激光器的参数设置为：激光波长330nm；激光脉冲频率150khz；激光器的脉冲宽度2us；激光扫描速度为90mm/s。

21、优选地，所述步骤s3中，聚酰亚胺溶液的固含量为20％。

22、优选地，所述步骤s3中，聚酰亚胺溶液的旋涂转速为500rpm～900rpm。

23、优选地，所述步骤s3中，热处理固化的方法为：在大气环境中利用加热台进行热处理固化，先以5℃/min的升温速率升温到100℃，再保持30min。

24、优选地，所述步骤s4中，热蒸镀的压强控制为3×10-3pa。

25、本发明的有益效果：

26、1、本发明所提供的柔性忆阻器，以聚酰亚胺薄膜作为柔性衬底和介质层，以激光诱导石墨烯作为底电极，克服了部分有机忆阻器不耐高温、弯曲等问题，200℃高温测试中也能展现出开关特性，多次弯曲循环后开启电压小幅度波动，可见在高温、弯曲等极限条件下均能表现出稳定性能，扩大了应用场景。

27、2、本发明所提供的柔性忆阻器为阈值开关型动态忆阻器，是基于聚酰亚胺薄膜的激光诱导石墨烯衬底，具有优异的循环一致性，同时在不同外加电流下出现了不同的振荡频率，可应用于人工神经元的构建，进一步促进人工感知系统的发展，并可将其转移到其他柔性衬底上，有利于其在可穿戴电子领域的应用。

技术特征：

1.一种基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器，其特征在于，包括衬底(1)、底电极(2)、介质层(3)和顶电极(4)；

2.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器，其特征在于，所述衬底(1)的长为10～25mm；所述衬底(1)的宽为10～25mm；所述衬底(1)的厚度为50～125um。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器，其特征在于，所述底电极(2)的线宽为20～90um，所述底电极(2)的厚度为10～45um。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器，其特征在于，所述介质层(3)的长为5～15mm，所述介质层(3)的宽为5～15mm，所述介质层(3)的厚度为50nm～500nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器，其特征在于，所述顶电极(4)的线宽为50～150um；所述顶电极(4)的厚度为100～200nm。

6.根据权利要求1～5任一项所述的一种基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，激光器的参数设置为：激光波长330nm；激光脉冲频率150khz；激光器的脉冲宽度2us；激光扫描速度为90mm/s。

8.根据权利要求6所述的一种基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，聚酰亚胺溶液的固含量为20％。

9.根据权利要求6所述的一种基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，聚酰亚胺溶液的旋涂转速为500rpm～900rpm。

10.根据权利要求6所述的一种基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，热处理固化的方法为：在大气环境中利用加热台进行热处理固化，先以5℃/min的升温速率升温到100℃，再保持30min。

技术总结本发明属于忆阻器领域，具体公开了一种基于激光诱导石墨烯的柔性忆阻器及其制备方法，其中，所述柔性忆阻器包括衬底、底电极、介质层和顶电极；所述底电极设置在衬底上；所述介质层设置在底电极上；所述顶电极设置在介质层上；所述衬底为聚酰亚胺薄膜；所述底电极为激光诱导石墨烯电极；所述介质层为聚酰亚胺薄膜；所述顶电极为银薄膜电极；所述底电极的线条与顶电极的线条垂直。本申请设计的柔性忆阻器，在200℃高温测试中也能展现出开关特性，多次弯曲循环后开启电压波动幅度小，具有优异的循环一致性和稳定性，同时在不同外加电流下会出现不同的振荡频率，可应用于人工神经元的构建，进一步促进人工感知系统的发展。技术研发人员：万昌锦,李婕,万青受保护的技术使用者：南京大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23