一种具有模拟生物突触功能的CTF忆阻器及其制备方法及应用

本申请涉及基于有机二维聚合物材料的微电子，尤其涉及一种具有模拟生物突触功能的ctf忆阻器及其制备方法及在模拟生物突触和人工神经网络计算方面的应用。

背景技术：

1、在二维聚合物材料领域，由于其通过原子间较强的共价键形成非常稳定的多孔性纳米材料，因此可以通过对单元模块的精确设计和调控，得到化学结构和功能多样化的二维共价聚合物材料。

2、其中，具有三嗪键的共价三嗪骨架(ctf)是共价有机骨架(cof)的一个子类。ctf由轻元素(c、n和h)共价连接而成，具有高孔隙率、高氮含量和良好的热/化学稳定性等物理/化学特性。这些独特的性质赋予ctf在各种应用中的广阔前景，包括气体分离和储存、能量储存以及光/电/热催化。但是目前ctf类材料的制备方法得到的ctf绝大多数为粉体和尺寸较小的纳米片，难以满足微纳器件的制备要求，限制了ctf材料的应用范围。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种具有模拟生物突触功能的ctf忆阻器的制备方法，通过此制备方法得到的忆阻器所使用的功能层为ctf薄膜，该薄膜是利用席夫碱中间体在气液界面上通过界面聚合反应制备而成的，具有大横向尺寸、厚度可控、自支撑等特点。同时可以通过改变两种单体浓度(亚胺前体和脒)的方法调控ctf薄膜，该薄膜可以根据需要转移至任意所需的基底上，有利于构建不同结构的电子器件。通过本发明的制备方法得到的忆阻器可以用于生物突触特性的模拟，并且可以通过人工神经网络的构建实现手写数字的识别。

2、本申请提供的一种具有模拟生物突触功能的ctf忆阻器，包括活性电极、ctf薄膜及惰性电极；活性电极、ctf薄膜及惰性电极按照顺序从上到下的设置；

3、活性电极设置为银、铜、铝、锌、镁及铁的一种；

4、惰性电极设置为ito导电玻璃、掺氟二氧化锡(fto)导电基底或掺铝氧化锌(azo)导电基底的一种。

5、一种具有模拟生物突触功能的ctf忆阻器的制备方法及应用，包括以下制备步骤:

6、步骤一：预处理ito导电玻璃：

7、(1)使用丙酮、乙醇、异丙醇及去离子水等溶剂按顺序依次对ito导电玻璃进行超声处理，超声处理方法具体为：向烧杯中加入适量丙酮使其完全浸没ito导电玻璃，放入超声波清洗机中进行清洗，超声功率40％，清洗5min并重复三次，然后将超声后烧杯中的液体倒入废液桶，随后按顺序使用乙醇、异丙醇及去离子水重复以上步骤，每种溶剂重复三次；

8、(2)将处理后的ito导电玻璃放入等离子清洗机中除去表面油类污物并增加基底亲水性；

9、步骤二：气液界面法制备ctf薄膜：

10、(1)将2.2mg对苯二甲醛加入1ml正己烷中，并加入4.4μl正己胺，在60℃水浴中加热并搅拌2h；

11、(2)将7.8mg对苯二甲脒二盐酸盐和11mg碳酸铯加入16ml二甲基亚砜溶液中，在100℃油浴中加热并搅拌30min；

12、(3)将亚胺前体滴加在脒溶液的顶部，在60℃环境下保持30min后在100℃条件下反应生成ctf薄膜；

13、步骤三：制备ctf忆阻器：

14、(1)将步骤二制备好的ctf薄膜转移至步骤一处理过的ito导电玻璃上；

15、(2)将掩模板贴在ctf薄膜上通过真空蒸镀制备顶部活性电极，完成ctf忆阻器的制备并测试其电学性能。

16、优选的，步骤一的去离子水为超纯水，电阻率为18.25mω·cm。

17、优选的，步骤一的ito导电玻璃规格为1×1cm。

18、优选的，步骤二的反应生成ctf薄膜的时间为72h以上。

19、优选的，步骤二的反应生成的ctf薄膜的厚度为40nm，并可通过调节亚胺前体与脒溶液的浓度来得到不同厚度的薄膜。

20、优选的，步骤三的真空蒸镀的方法为：使用铜网作为掩模板贴在ctf薄膜的上表面，以0.05nm/s的速率沉积厚度为50nm的银层，沉积结束后取下铜网，完成银层的蒸镀。

21、优选的，步骤三的铜网的目数为200～300目。

22、优选的，包括以下应用：

23、应用一：模拟生物突触：

24、对步骤三制备的ctf忆阻器施加不同脉冲电压模拟多种生物突触，突触响应特性包括双脉冲易化或抑制、长时程增强或抑制及突触权重的影响；

25、应用二：模拟神经网络计算：

26、采用三层神经网络结构，使用卷积神经网络算法利用步骤三制备的ctf忆阻器进行图像识别的模拟。

27、相对于现有技术而言，本申请的有益效果是：

28、(1)本发明提供了一种利用席夫碱中间体在气液界面上进行聚合反应的策略制备ctf薄膜的方法。该方法操作简单，不需要高端精密的仪器，无需提供高能量即可得到大面积均匀的ctf薄膜，并且生成的ctf薄膜能够转移至任意基底上，十分方便。

29、(2)本发明提供了以ctf薄膜为功能层，采用活性电极制备基于导电丝原理的忆阻器。该忆阻器具有较低的开启电压(0.8v)，较大的开关比(105)，并且在0.1v读取的保持时间可以达到3×104s以上。

30、(3)本发明提供了基于ctf薄膜的忆阻器，该忆阻器可以通过施加不同脉冲电压模拟生物突触功能，并且通过构建三层人工神经网络模拟手写数字识别的准确率可以达到90％以上。

31、应当理解，技术实现要素：部分中所描述的内容并非旨在限定本申请的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本申请的范围。本申请的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

技术特征：

1.一种具有模拟生物突触功能的ctf忆阻器，其特征在于，包括活性电极、ctf薄膜及惰性电极；所述活性电极、所述ctf薄膜及所述惰性电极按照顺序从上到下的设置；

2.一种具有模拟生物突触功能的ctf忆阻器的制备方法及应用，其特征在于，包括以下制备步骤:

3.根据权利要求2所述的具有模拟生物突触功能的ctf忆阻器的制备方法及应用，其特征在于，所述步骤二的反应生成所述ctf薄膜的时间为72h以上。

4.根据权利要求2所述的具有模拟生物突触功能的ctf忆阻器的制备方法及应用，其特征在于，所述步骤三的所述真空蒸镀的方法为：使用铜网作为掩模板贴在所述ctf薄膜的表面，以0.05nm/s的速率沉积50nm的银层，蒸镀结束后取下掩模板，完成银电极的制备。

5.根据权利要求4所述的具有模拟生物突触功能的ctf忆阻器的制备方法及应用，其特征在于，所述步骤三的所述铜网的目数为200～300目。

6.根据权利要求2所述的具有模拟生物突触功能的ctf忆阻器的制备方法及应用，其特征在于，包括以下应用：

技术总结本申请公开了一种具有模拟生物突触功能的共价三嗪骨架(CTF)忆阻器，包括活性电极、CTF薄膜及惰性电极；一种具有模拟生物突触功能的CTF忆阻器的制备方法及应用，包括以下制备步骤：步骤一：预处理氧化铟锡(ITO)导电玻璃；步骤二：气液界面法制备CTF薄膜；步骤三：制备CTF忆阻器。本申请的具有模拟生物突触功能的CTF忆阻器属于典型的电化学金属化机制，具有模拟生物突触功能的特点，并且具有大面积、低成本、制备条件简单等优点，整个忆阻器的结构易于设计，工艺简单，性能稳定，并且其阻值变化对应于人类人脑的神经突触具有高度相似性，因此，基于忆阻器的神经突触仿生器件研究将为人工智能领域带来新的思路，从而促进更加精确地实现对人工智能器件的发展。技术研发人员：刘洁,岳峰受保护的技术使用者：天津理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25