迄今为止,尽管传统计算机的CMOS技术与冯诺依曼系统已经得到了长足的进步与发展,但是目前越来越繁复的信息数据爆炸问题使得传统技术面临着巨大的挑战。在这种大环境背景下,类人脑神经系统逐渐进入科学家们的视野。众所周知,作为人类中枢神经系统最高级部分的大脑主导着机体内一切活动过程,并调节机体与周围环境的平衡。而在整个复杂又精密的大脑活动中,神经元作为神经系统的最基本的结构和功能单位,起着举足轻重的作用。值得关注的是,突触作为神经元之间信息传递的重要组成部分,引起了神经学家、生物学家甚至物理学家的广泛关注。随着神经科学的进步与发展,科学家们通过对从蠕虫到人类等模型系统中突触可塑性和记忆的探索研究逐渐深入理解了神经系统如何存储和处理信息。近年来,科研工作者们更是研发出类神经突触电子器件来模拟生物突触的学习记忆功能,促进了类人脑神经系统的快速发展。其中,忆阻器作为一种阻值可随流过器件的电量改变而改变的两端器件,已经被用于构建多种不同的人工突触,从而实现对神经突触的可塑性模拟。随着忆阻器的发展与进步,金属氧化物、二维材料以及有机材料等已经被用于构建不同基于忆阻器的人工突触,以满足类人脑神经系统的深入应用研究。尽管对于忆阻器的研究已经取得了许多成果,但是制备具有新型高性能(例如:良好的生物安全性、生物可降解性以及生物相容性等)的有机忆阻器依然是目前忆阻器在生物应用领域亟需解决的问题。本篇硕士论文着重于利用有机材料(例如:聚(2-乙烯基萘)等)与生物材料(例如:卵清蛋白、甲基纤维素以及鸡蛋清等)作为电荷存储层或者介质层,辅之以旋涂法和热蒸发镀膜技术,制备得到基于生物材料的新型有机薄膜忆阻器,并将其用于模拟神经突触的可塑性(例如:短时程或者长时程可塑性、兴奋或者抑制)。具体内容如下:第一章:首先,简要概述了神经元和突触的基本结构与功能,着重讲述了突触可塑性的基本概念与重要作用。其次,详细讲述了忆阻器的研究背景、理论模型、电学特性以及生物应用等。然后,讲述了忆阻器用于神经突触行为模拟的研究进展。最后,陈述了本论文的研究内容和研究意义。第二章:首先,详细介绍了本论文中所涉及仪器设备的结构组成、工作原理以及操作方法。其次,简要介绍了实验中所涉及试剂耗材的主要信息。然后,详细讲述了不同类型有机忆阻器的制备方法。最后,简单概述了不同类型有忆阻器的表征方法与数据处理方式。第三章:讲述了基于聚合物驻极体的有机忆阻器的制备方法与电学表征,及其用于神经突触的行为模拟研究。具体而言,通过热蒸发镀膜技术和旋涂法,成功地制备得到了基于聚合物驻极体的有机忆阻器。研究发现,该器件结构能够利用悬浮栅极和不对称电极,将三端存储晶体管转变为两端忆阻器结构,进而实现两端有机忆阻器的忆阻特性。此外,机理模型研究表明,该有机忆阻器的阻值状态是通过聚合物驻极体中捕获的空穴数量来实现调节的。实验结果表明,该方法构建的有机忆阻器能够用于模拟神经突触的基本行为,主要包括:突触的兴奋与抑制、长时程可塑性与短时程可塑性共存等。这部分研究结果为本文后续基于生物材料的有机忆阻器研究奠定了坚实的研究基础。第四章:讲述了基于卵清蛋白介质层的有机薄膜忆阻器的制备方法与电学表征,及其用于神经突触的行为模拟研究。具体而言,通过旋涂法,成功地制备得到了基于卵清蛋白介质层的有机薄膜忆阻器。考虑到卵清蛋白的粘稠度高且成膜难以平整不利于并五苯材料的生长,本体系中选用聚3-己基噻吩作为有机半导体层。研究发现,该方法构建的有机忆阻器展现了良好的忆阻特性,拥有稳定的电流-电压迟滞窗口。此外,该有机忆阻器还能够模拟神经突触的一些基本行为,主要包括:突触的兴奋与抑制、双脉冲易化等。第五章:讲述了基于甲基纤维素介质层的有机忆阻器的制备方法与电学表征,及其理论模型。具体而言,通过旋涂法,成功地制备得到了基于甲基纤维素介质层的有机忆阻器。其中,以甲基纤维素作为介质层,其分子中含量较高的羟基能够促进质子迁移率的提高。在此基础上,研究发现该有机忆阻器在电学行为上拥有较大的电流-电压迟滞窗口且具有忆阻特性,具有模拟神经突触基本行为的潜力。这部分研究结果为本文后续的进一步深入研究奠定了研究基础。第六章:讲述了基于鸡蛋清介质层的双向迟滞有机忆阻器的制备方法与电学表征,及其用于神经突触的行为模拟研究。具体而言,通过旋涂法,成功制备得到了基于鸡蛋清介质层的双向迟滞有机忆阻器。研究发现,该体系中鸡蛋清介质层对电流-电压的双向迟滞现象起到了至关重要的作用。简而言之,鸡蛋清中的蛋白质(例如:卵清蛋白)可以实现电荷捕获效应,并且这一效应在高电压,慢频率的扫描条件下占据主导地位;鸡蛋清中的离子可以实现离子分布效应,这一效应在低电压,高频率的扫描条件下占据主导地位;上述两种机制的竞争使得鸡蛋清介质层有机忆阻器可以通过扫描频率和电压范围的改变来调节器件的电流-电压迟滞方向。进一步的研究表明,该方法构建的有机忆阻器能够用于模拟神经突触的短时程可塑性、长时程可塑性等行为。此外,通过机理研究明确了鸡蛋清作为介质层的关键作用。这部分研究结果为未来发展新型可植入式的生物材料有机忆阻器提供了有价值的实验信息。综上所述,本硕士毕业论文以基于有机薄膜晶体管结构的忆阻器为基点,用溶液法构建了多种基于生物材料的有机忆阻器结构,这些生物材料有机忆阻器具有良好的生物兼容性和生物安全性,为仿神经电子器件在人工智能领域和生物神经系统领域的应用提供了新的途径。