一种塑性可调的石墨烯纳米带基突触晶体管及其制备方法

本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种塑性可调的石墨烯纳米带基突触晶体管及其制备方法。背景技术：：：1、在计算机和信息技术的引领下，物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代数字技术快速崛起，成为了推动现代化建设的强大动力。与此同时，大数据时代每天产生的海量数据对计算机的数据处理能力提出了更高的要求。但是基于冯·诺依曼架构的传统计算机中，存储单元与计算单元相互分离，在进行信息处理时，需要在中央处理器与存储单元之间进行大量的数据传输，这很大程度上限制了数据的处理速度。而人脑中含有大约1011个神经元，各神经元之间互相连接形成了高度互联的神经网络，可以并行存储和处理大量的数据，这使得模拟人类大脑结构和功能的神经形态计算受到了越来越多的关注。其中，突触是连接两个神经元的重要结构，负责信息的存储和传递，是生物神经网络的重要组成部分。所以，能够对生物突触的突触可塑性等神经功能进行模拟的人工突触器件对成功构建神经形态计算系统有着重要的意义。2、随着材料科学的快速发展，越来越多的新材料也应用于人工突触器件的构建，极大的促进了人工突触器件的相关研究。其中，石墨烯自首次成功制备以来就吸引了世界范围内的广泛关注和研究兴趣。石墨烯具有优异的电学性质，是制造电子元件的理想材料。但是，由于石墨烯本身零带隙的材料特性，在应用于人工突触器件时，器件的开关比较低，导致人工突触器件的可塑性调节范围较小，限制了石墨烯基人工突触器件的实际应用。3、已知的技术方案中，tian等人在2015年的研究("graphene dynamic synapsewith modulatable plasticity"，nano letters 2015,15,8013-8019)描述了一种基于双层石墨烯薄膜的突触器件。该器件利用石墨烯的本征特性，通过调整石墨烯的载流子密度，实现了突触可塑性的调控。然而，由于石墨烯的零带隙特性，该器件的开关比较低，仅有1-2。另一个相关的技术方案是专利cn110289317a("铁电石墨烯晶体管及基于它的互补型突触器件和调控方法")。该专利公开了一种铁电石墨烯晶体管，通过在石墨烯沟道上施加铁电薄膜介质，实现了三端可调的突触晶体管。然而，该技术在开关比上虽然有所改善，但仍存在受限于石墨烯零带隙特性的固有问题，开关比不足以达到更高的水平。且该专利的突触可塑性调节范围相对较小，无法实现对突触器件更大范围的塑性调节，这限制了其在神经形态计算中的应用。因此，亟需找到合适的石墨烯带隙调控方式，以提高石墨烯基人工突触器件的塑性调节范围。技术实现思路1、本发明的目的正是针对针对目前石墨烯电子器件的受限于其零带隙的半金属特性，器件的突触塑性调节范围较小的问题，提供一种塑性可调的石墨烯纳米带基突触晶体管及其制备方法，以实现对器件塑性的有效调节。该方法通过引入数码可控纳米打印技术，在石墨烯表面大面积、快速、低成本的制备纳米线掩膜，然后通过氧等离子体刻蚀技术，制备宽度可调的石墨烯纳米带。本发明可以有效调控石墨烯的带隙，使其在应用中表现出不同的电学特性，克服了石墨烯零带隙的固有局限，促进了石墨烯纳米带在神经形态电子领域的实际应用，丰富了石墨烯材料的应用领域，可以得到可塑性调节范围较大的石墨烯纳米带基人工突触器件。2、本发明的技术方案为：3、一种塑性可调的石墨烯纳米带基突触晶体管，该突触晶体管的结构自下而上分别为衬底、半导体层、源漏电极和离子胶栅介电层；4、其中，衬底为生长有氧化层的硅片(si/sio2)衬底；5、所述半导体为宽度可调的石墨烯纳米带阵列；石墨烯纳米带宽度范围为100～800nm，厚度0.7-2.5nm；长度为10～15mm；纳米带间距为100～2000μm；6、所述源漏电极为蒸镀的金电极，厚度为40～80nm；7、所述离子胶栅介电层的材质为[pvdf-hfp][emim-tfsi]，厚度为100～500μm；8、所述的塑性可调的石墨烯纳米带基突触晶体管的制备方法，包括以下步骤：9、(1)将正反两面生长有石墨烯薄膜的铜箔的背面进行氧等离子体刻蚀，除去铜箔背面质量较差的石墨烯，保留铜箔正面的石墨烯薄膜；10、其中，氧气流量为50-80sccm，射频功率为30-60w，刻蚀时间为10-60s；11、(2)将聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶液旋涂至生长有石墨烯薄膜的铜箔正面，得到附着在铜箔表面上的石墨烯/pmma薄膜；12、其中，pmma溶液的质量溶度为2～10％，溶剂为氯苯，pmma溶液的旋涂转速为3000～5000r/min，旋涂时间为40-60s；13、(3)通过湿法刻蚀，即采用浸没入过硫酸铵溶液对步骤(2)中附着石墨烯/pmma薄膜的铜箔基底进行刻蚀，得到聚合物支撑的石墨烯/pmma薄膜；14、其中，铜箔的刻蚀时间为2～8h，刻蚀溶液为过硫酸铵((nh4)2s2o8)溶液，溶度为0.1～1mol/l；15、(4)用洗净的si/sio2衬底将步骤(4)所得的石墨烯/pmma薄膜捞出并干燥，得到附着在衬底上的石墨烯/pmma薄膜；随后将其依次置于丙酮、混合有机溶剂、异丙醇溶液中除去pmma，得到附着在si/sio2衬底上的单层石墨烯薄膜；16、所述的混合有机溶剂为丙酮和异丙醇，二者体积比为1：1；17、(5)利用电流体打印设备，将聚乙烯咔唑(pvk)前驱体溶液打印至步骤(4)所得的石墨烯薄膜表面，形成pvk纳米线掩膜；18、其中，pvk前驱体溶液的质量溶度为2％～10％，溶剂为苯乙烯；工作电压4000～5000v，工作距离2～3mm。基板的横向运动距离设置为160～200mm，横向运动速度为200～600mm/s，纵向运动距离为0.1～0.5mm，速度为0.6～2mm/s；19、(6)利用掩模版，在步骤(5)所得pvk纳米线阵列表面蒸镀40～80nm厚、间隔100～200μm分布的金属电极，作为源极和漏极；其中，金属为金、铝或银；20、(7)利用氧等离子体刻蚀技术，将未被纳米线掩膜保护的石墨烯刻蚀掉，再通过超声将纳米线掩膜除去，制备得到石墨烯纳米带阵列；21、(8)将离子胶栅介电层贴附于源漏电极之间的石墨烯纳米带阵列上，最终制备得到塑性可调的石墨烯纳米带基突触晶体管。22、还包括衬底的预处理步骤：23、衬底清洗：将si/sio2衬底分别用去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗30min，然后用氮气(n2)将其表面吹干备用；24、步骤(5)中所述的pvk纳米线掩膜为直径可控(100～800nm)、间距可调(50～300μm)的pvk纳米线阵列。25、步骤(7)中所述的氧等离子体刻蚀过程中，通入的氧气流量为30～100sccm，刻蚀功率为20～80w，刻蚀时间为5～60s。26、步骤(8)中所述的离子胶栅介电层的制备方法：将质量比为1：3～5：7的[pvdf-hfp][emim-tfsi]离子液体以及丙酮混合搅拌，充分溶解后将混合溶液滴涂到干净的载玻片上，烘干后得到离子胶薄膜，其厚度为100～500μm。27、本发明的实质性特点为：28、本发明通过引入数码可控纳米打印技术，保证了在石墨烯表面大面积、快速、低成本的制备纳米线掩膜；所述纳米线掩膜的直径可调，进一步结合氧等离子体刻蚀技术，可以制备得到不同宽度的石墨烯纳米带，进而调控石墨烯纳米带的带隙宽度；可调的石墨烯纳米带带隙，保证了基于该石墨烯纳米带的突触晶体管器件具有可调的突触可塑性；通过探究石墨烯纳米带宽度与突触器件塑性之间的关系，保证得到可塑性调节范围较大的石墨烯纳米带基人工突触器件。29、发明的有益效果为：30、(1)本发明提供的石墨烯纳米带制备方法，相较于需要昂贵的设备和复杂的工艺流程的光刻等传统石墨烯纳米带制备工艺，具有低成本、工艺简单等优点；31、(2)本发明通过调控纳米线掩膜的直径，实现了石墨烯纳米带宽度的可控制备，进而调控石墨烯纳米带的带隙。采用氧等离子体刻蚀技术结合高精度的纳米打印技术，可以将石墨烯纳米带的宽度控制在100至800纳米范围内。；32、(3)本发明探究了石墨烯纳米带宽度对其突触可塑性的调节作用，通过不同电压、脉冲数量、不同刻蚀时间对应的不同宽度下的epsc变化，实现了对器件性能的优化，得到了可塑性调节范围较大的石墨烯纳米带基人工突触器件；33、(4)结合数码可控纳米线打印技术，可以实现石墨烯基纳米带突触器件的大规模制备，有利于器件的集成。通过优化打印参数，可以在短时间内在大面积衬底上制备均匀的纳米线掩膜，从而大幅提升生产效率。当前第1页12当前第1页12