一种异质结纳流控忆阻器及其在模拟人工突触中的应用

本发明属于纳流控技术与神经科学领域，具体涉及一种异质结纳流控忆阻器及其在模拟人工突触中的应用。

背景技术：

1、忆阻器是一种新型的非易失性存储器件，能够在不需要额外能量供应的情况下存储电阻值，并且可以自适应地改变其电阻值。目前已经发展出可以实现不同神经形态功能的双端忆阻器和三端晶体管。这些装置在神经网络和类脑计算等领域具有广泛的应用前景，有望打破冯·诺伊曼瓶颈和延续摩尔定律发展。现有的忆阻器主要是由无机金属氧化物、有机化合物、钙钛矿和无机金属氧化物制造的固态忆阻器。

2、然而，固态忆阻器与离子介导的生物神经元相比，存在能耗和功能方面的限制。近年来，随着微纳技术的迅速发展和对微纳米尺度下流体力学的深入研究，纳米流体忆阻器的设计和研究不断进行。这为模拟生物突触提供了新的可能性，因为信号传输依赖于水系统中的离子传输。基于流体的忆阻器能够在液体环境中实现神经形态功能具有良好的生物兼容性。

3、尽管纳流体忆阻器具有许多优势和应用潜力，但在制造过程需要精密的纳米颗粒制备、装填和定位，因此制造成本高且存在工艺上的难点。受环境因素影响，纳流体忆阻器的电阻值可能不稳定，且写入速度、寿命和一致性等问题亦需进一步研究解决。此外，现有的纳流体忆阻器在高性能和集成方面仍存在限制和挑战，需要进一步深入研究和开发。

技术实现思路

1、解决的技术问题：针对目前固态忆阻器存在的生物兼容性差、制造成本高等问题，本发明提供一种异质结纳流控忆阻器及其在模拟人工突触中的应用，具有可调性强、功耗低和更善于模拟类脑系统等优点。

2、技术方案：一种异质结纳流控忆阻器，包括异质结结构层和设于异质结结构层内部的纳米通道，异质结结构层由两种吸附能不同的二维材料组成，其中纳米通道上下两侧设有中央条带，构成中央条带的二维材料的吸附能比其它部位的二维材料吸附能大，纳米通道内设有两组肽链阀门结构，所述肽链阀门结构由两条尾端相对的肽链组成，通过二硫键将肽链与纳米通道内侧连接，肽链中含有带电氨基酸和苯环氨基酸，通过控制肽链的带电氨基酸和带苯环氨基酸含量，进而调节肽链受到的电场力和肽链与二维材料的吸附能，从而控制肽链阀门的开合性能和忆阻器的忆阻性能。

3、基于上述一种异质结纳流控忆阻器组成的前神经元模块和后神经元模块，前神经元模块由一个异质结纳流控忆阻器组成，后神经元模块由另一个异质结纳流控忆阻器组成，并且要求前神经元模块中肽链阀门与异质结结构层之间的吸附能比后神经元模块的吸附能小，具体实现方法是设置前神经元模块中肽链的苯环氨基酸含量低于后神经元模块。

4、基于上述一种异质结纳流控忆阻器在模拟人工突触中的应用。

5、作为优选，所述模拟为模拟人工突触短时程增强(stp)特征。

6、作为优选，所述模拟为模拟人工突触成对脉冲促进(ppf)特征。

7、作为优选，模拟时，将异质结纳流控忆阻器放入装有电解质溶液的液池中，源表连接在液池两端，采用源表对液池两端施加电压，并实时监测忆阻器内部纳米通道的电导变化。

8、所述异质结纳流控忆阻器实现忆阻特性的原理如下：

9、s1：将所述异质结纳流控忆阻器放入装有电解质溶液的液池中，对其施加扫描电压，由于肽链中的末端氨基酸的电性为正，因此会受到电泳力作用发生位置移动，并且纳米通道壁面带负电，电渗方向与电泳方向相同，因此肽链会受到同方向的电泳力和电渗力共同驱动肽链运动；

10、s2：通过控制扫描电压速率，使肽链随着电压升高，从缓慢打开直到肽链完全打开，由于通道内离子电流受到肽链阀门的影响，会导致电流延迟响应，i-v曲线出现迟滞回线现象，从而实现忆阻器的忆阻特性；

11、s3：在肽链完全打开后，切断电源，由于受到中央条带处二维材料更强的范德华力，会逐渐切换至关闭状态。

12、基于上述的前神经元模块和后神经元模块在模拟人工突触中的应用。

13、作为优选，模拟时，将前神经元模块和后神经元模块连接，然后将其放入装有电解质溶液的液池中，源表连接在液池两端，采用源表对液池两端施加电压，并实时监测忆阻器内部纳米通道的电导变化。

14、作为优选，所述模拟为模拟人工突触脉冲时序依赖性可塑性特征，旨在精细模拟生物突触在神经信号传递过程中的动态调整机制。

15、所述前神经元模块和后神经元模块实现忆阻特性的原理如下：

16、s1：将两个异质结纳流控忆阻器(前神经元模块+后神经元模块)串联的方式放入装有电解质溶液的液池中，此设置旨在模拟生物突触中前神经元与后神经元的相互作用环境，在该环境下，两个忆阻器分别承担前、后神经元的角色；

17、s2：采用源表对异质结纳流控忆阻器所在装有电解质溶液的液池两端施加偏置电压，并精确测量通过纳米通道的离子电流，这一步骤是模拟生物神经突触在电信号驱动下离子跨膜运动的关键环节；利用异质结纳流控忆阻器模拟前神经元，前神经元模块所用肽链中苯环氨基酸的含量低于后神经元模块(也就是前神经元模块中肽链阀门与异质结结构层之间的吸附能比后神经元模块的吸附能小)，导致其与异质结忆阻器界面间的范德华力相对较弱，这种物理特征使在外加电场力作用下，前神经元忆阻器中的肽链更易于发生位移，从而较早地触发电流变化，模拟了生物突触中前神经元先于后神经元激活的现象，进而模拟人工突触的脉冲时序依赖可塑性特征；

18、本发明通过调整前、后忆阻器中肽链苯环氨基酸的比例，可以精细控制肽链门控机制的激活顺序。这种调控策略允许研究者按需调整后忆阻器中的离子电流变化，进而精确模拟脉冲时序依赖可塑性特征制。在该特征下，当前神经元相对于后神经元提前激活时，突触的权重值会相应增加，这一现象在神经网络的学习与记忆过程中至关重要。

19、有益效果：本发明提出一种异质结纳流控忆阻器及模拟人工突触的方法，所述异质结纳流控忆阻器不仅可以用来模拟人工突触的stp和ppf特征，还可以通过串联两个吸附能不同的异质结纳流控忆阻器的方式来模拟人工突触的脉冲时序依赖可塑性特征。

20、本发明利用异质结构调节肽链所受到的分子间作用力，控制电场强度，调节肽链阀门的打开程度，在肽链完全打开后，切断电源，肽链受到更强的范德华力，被调节至关闭状态，这种电场强度-肽链阀门开度的关系导致了离子电流也随之变化，从而实现了忆阻效应。通过进行脉冲响应测试，模拟了人工突触的stp和ppf等特征。

21、除此之外，本发明通过串联两个异质结纳流控忆阻器，并调节不同肽链阀门的开关能力，可以模拟前、后神经元的激活状态，从而可以模拟人工突触的脉冲时序依赖可塑性特征，与传统固态忆阻器相比，基于离子运输的工作机理让其具有优越的生物系统兼容性。

技术特征：

1.一种异质结纳流控忆阻器，其特征在于，包括异质结结构层和设于异质结结构层内部的纳米通道，异质结结构层由两种吸附能不同的二维材料组成，其中纳米通道上下两侧设有中央条带，构成中央条带的二维材料的吸附能比其它部位的二维材料吸附能大，纳米通道内设有两组肽链阀门结构，所述肽链阀门结构由两条尾端相对的肽链组成，通过二硫键将肽链与纳米通道内侧连接，肽链中含有带电氨基酸和苯环氨基酸，通过设计组成肽链的带电氨基酸和带苯环氨基酸含量，可调节肽链受到的电场力和肽链与二维材料的吸附能，从而控制肽链阀门的开合性能。

2.基于权利要求1所述的一种异质结纳流控忆阻器组成的前神经元模块和后神经元模块，其特征在于，前神经元模块由一个异质结纳流控忆阻器组成，后神经元模块由另一个异质结纳流控忆阻器组成，并且前神经元模块中肽链阀门与异质结结构层之间的吸附能比后神经元模块的吸附能小。

3.基于权利要求1所述的一种异质结纳流控忆阻器在模拟人工突触中的应用。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述模拟为模拟人工突触短时程增强特征。

5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述模拟为模拟人工突触成对脉冲促进特征。

6.根据权利要求3、4或5所述的应用，其特征在于，模拟时，将异质结纳流控忆阻器放入装有电解质溶液的液池中，采用源表对液池两端施加电压，并实时监测忆阻器内部纳米通道的电导变化。

7.基于权利要求2所述的前神经元模块和后神经元模块在模拟人工突触中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，模拟时，将前神经元模块和后神经元模块连接，然后将其放入装有电解质溶液的液池中，采用源表对液池两端施加电压，并实时监测忆阻器内部纳米通道的电导变化。

9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述模拟为模拟人工突触脉冲时序依赖性可塑性特征。

技术总结一种异质结纳流控忆阻器及其在模拟人工突触中的应用，该器件包括异质结结构层和设于异质结结构层内部的纳米通道，异质结结构层由两种吸附能不同的二维材料组成，其中纳米通道上下两侧设有中央条带，构成中央条带的二维材料的吸附能比其它部位的二维材料吸附能大。纳米通道内设有两组肽链阀门结构，所述肽链阀门结构由两条尾端相对的肽链组成，肽链中含有带电氨基酸和苯环氨基酸，通过二硫键将肽链与纳米通道内侧连接。本发明既能用来模拟人工突触短时程增强特征和成对脉冲促进特征，又能通过串联两个吸附能不同的异质结纳流控忆阻器的方式来模拟人工突触脉冲时序依赖可塑性特征。本发明的器件在类脑计算方面具有应用前景。技术研发人员：章寅,吕虹霖,陈云飞受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5