一种对环境因素敏感的人工突触忆阻器件及其制备方法

本发明涉及电子器件，特别是涉及一种对环境因素敏感的人工突触忆阻器件及其制备方法。

背景技术：

1、随着互联网技术的发展，数据从多种来源产生，包括人际交往、电子媒体、社交网络、机器运行档案，并且数据产生速度越来越快。同时，大数据的增加和大数据工作负载正在推动越来越以数据为中心的计算的发展，这对基于冯·诺依曼架构的计算机带来了挑战。传统数字计算机的处理单元和存储单元是物理上分开的，需要高频率交换数据，对能源效率和数据带宽造成了相当大的损失，这被称为冯·诺依曼瓶颈。忆阻器可以做到集成存储和计算为一体，同时其具有显著的低成本、非挥发性和实现信息记忆的能力，忆阻器被认为是新概念存储器件的主要候选器件之一。

2、在忆阻器被发现后的几十年里，尽管人们付出很多努力去研究忆阻器的物理机理和应用，但是对它的了解还是不够。在一些忆阻器中，有一些特殊的物理现象被发现。并且，陆陆续续有不同新材料被发现具有忆阻效应，这些新材料可能对不同的物理量敏感，在一定程度上忆阻器可以被除了电信号以外的物理量控制，比如湿度、温度、偏置电压幅值等。目前为止，人们发现一部分忆阻器可以模拟神经突触功能，有望发展成为人造神经突触。探索多种环境因素对忆阻器的影响可以促进存储技术的创新，揭示新的物理现象和工作机理。在实际应用中，器件经常面临着多变的外部环境，通过了解和优化忆阻器在不同环境因素影响下的表现，可推动忆阻器在复杂应用环境中的可靠性和稳定性的提升。

3、因此，研究环境因素敏感的人工突触忆阻器件及其制备方法可以促进存储技术的创新，揭示新的物理现象和工作机理，这对于新型电子器件的开发，尤其是在智能传感、神经网络仿真和人工智能等领域，具有重要的理论和实践意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种对环境因素敏感的人工突触忆阻器件及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶作为人工突触忆阻器件中功能层的应用。

4、作为本发明的进一步优选，所述稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶的化学成分为x0.01～0.02pb0.985[(mg1/3nb2/3)0.70ti0.30]o3(元素下角标代表摩尔比例)，其中，x为稀土元素。

5、作为本发明的进一步优选，所述人工突触忆阻器件的顶电极为银，底电极为氧化铟锡。

6、作为本发明的进一步优选，所述稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶采用布里奇曼法、提拉法、熔焰法或区域熔融法制备得到，稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶经研磨处理。

7、作为本发明的进一步优选，所述稀土元素为sm。

8、本发明还提供一种人工突触忆阻器件，以稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶作为功能层。

9、作为本发明的进一步优选，所述稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶的化学成分为x0.01～0.02pb0.985[(mg1/3nb2/3)0.70ti0.30]o3，其中，x为稀土元素。

10、作为本发明的进一步优选，所述人工突触忆阻器件的顶电极为银，底电极为氧化铟锡。

11、作为本发明的进一步优选，所述稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶采用布里奇曼法、提拉法、熔焰法或区域熔融法制备得到，稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶经研磨处理。

12、本发明还提供上述人工突触忆阻器件的制备方法，包括以下步骤：

13、将所述稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶在导电玻璃表面形成膜层，得到功能层；

14、之后在所述功能层表面制备顶电极，得到所述人工突触忆阻器件。

15、作为本发明的进一步优选，在制备功能层时，将稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶和聚偏氟乙烯加入到n-甲基吡咯烷酮溶剂中，将得到的溶液在导电玻璃表面进行涂覆，之后进行干燥；更优选的干燥温度为50℃。

16、本发明中，稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶膜层是具有一定结晶度的钙钛矿结构。

17、作为本发明的进一步优选，稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶和聚偏氟乙烯的重量比为5：2。

18、作为本发明的进一步优选，所述导电玻璃为氧化铟锡。

19、作为本发明的进一步优选，所述功能层的厚度为3.0-3.5μm。

20、图1为本发明忆阻器件的结构图；图2为本发明忆阻器件机理示意图。

21、忆阻效应的主要特点为忆阻器在不同条件下处于高阻态(hrs)或低阻态(lrs)，忆阻效应产生的原因有很多，通常由多种机理因素共同作用，铁电忆阻器产生忆阻效应的机理有导电细丝、欧姆传导、肖特基势垒和隧穿效应。掺入稀土元素的pmn-pt单晶体作为功能层主要材料，所得忆阻器具有显著的忆阻效应，稀土元素作为掺杂剂，使得钙钛矿结构的单晶产生局部结构非均质性，这会导致产生额外的界面能，进而使得自由能分布变平，导致极化旋转更加容易。铁电忆阻器的极化旋转使得极化电场p发生变化，这又会影响势垒宽度的大小和电荷流动；势垒宽度的大小主要影响肖特基势垒和隧穿效应，电荷流动主要影响导电细丝的形成。因此，稀土元素掺杂会对pmn-pt忆阻器的忆阻效应产生显著影响。

22、通过改变偏置电压的幅值可以改变势垒宽度的大小和影响电荷流动，忆阻性器件的i-v环形状在进一步循环过程中会发生可逆变化。温度升高会使得器件内离子布朗运动加剧，影响了导电离子的传输和分布，使其导电性增加、高阻态与低阻态之间的比值变小，进而忆阻器件的忆阻效应会随着温度升高而变差。当环境湿度增加时，忆阻器件中水分子和氢氧根含量增加，材料的表面载流子陷阱会被水分子填满，从而导致功能层的电导率增加；氢氧根离子与氧空位相互作用，并在存储单元的主体中迁移，从而促进银离子沿晶界迁移及其氧化还原反应，这促进了银导电细丝的形成进而对忆阻器件的忆阻效应产生影响。

23、本发明公开了以下技术效果：

24、本发明制备出一种对环境因素敏感的人工突触忆阻器件，具有结构简单、性能优异和稳定性高的特点。

25、本发明的忆阻器同时对多种环境因素敏感，增加了忆阻器的控制条件，提高了器件的存储与计算密度。

26、本发明具有人造神经突触的特性，在构建人工神经网络系统中具有良好的应用前景。

技术特征：

1.稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶作为人工突触忆阻器件中功能层的应用。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶的化学成分为x0.01～0.02pb0.985[(mg1/3nb2/3)0.70ti0.30]o3，其中，x为稀土元素。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述人工突触忆阻器件的顶电极为银，底电极为氧化铟锡；所述稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶采用布里奇曼法、提拉法、熔焰法或区域熔融法制备得到。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述稀土元素为sm。

5.一种人工突触忆阻器件，其特征在于，以稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶作为功能层。

6.根据权利要求5所述的人工突触忆阻器件，其特征在于，所述稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶的化学成分为x0.01～0.02pb0.985[(mg1/3nb2/3)0.70ti0.30]o3，其中，x为稀土元素。

7.根据权利要求5所述的人工突触忆阻器件，其特征在于，所述人工突触忆阻器件的顶电极为银，底电极为氧化铟锡；所述稀土掺杂的pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3单晶采用布里奇曼法、提拉法、熔焰法或区域熔融法制备得到。

8.根据权利要求5所述的人工突触忆阻器件，其特征在于，所述稀土元素为sm。

9.如权利要求5所述的人工突触忆阻器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述功能层的厚度为3.0-3.5μm。

技术总结本发明公开了一种对环境因素敏感的人工突触忆阻器件及其制备方法，涉及电子器件技术领域。本发明将稀土掺杂的Pb(Mg<subgt;1/3</subgt;Nb<subgt;2/3</subgt;)O<subgt;3</subgt;‑PbTiO<subgt;3</subgt;单晶作为人工突触忆阻器件中的功能层，可使得忆阻器同时对多种环境因素敏感，具有人造神经突触的特性，同时具有结构简单、性能优异和稳定性高的特点，提高了器件的存储与计算密度，在构建人工神经网络系统中具有良好的应用前景。技术研发人员：吝福来,任冯刚,孙柏,李景雷,吕毅受保护的技术使用者：西安交通大学医学院第一附属医院技术研发日：技术公布日：2024/7/29