【摘 要】
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忆阻器是可以依靠电场驱动的器件电阻的连续变化来模拟神经突触权重变化的新型半导体器件,融合了存储和计算两种功能。因此,它的出现打破了传统意义上具有数字计算功能的冯·诺依曼体系结构。忆阻器作为一种非易失性存储器,已被证明可以模拟神经形态计算,类似于大脑中的原位信息处理。另一方面,作为用于可穿戴和可植入电子器件的人工生物突触,生物忆阻器在神经形态计算中已引起越来越多的关注。迄今为止,生物忆阻器已经实现了
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忆阻器是可以依靠电场驱动的器件电阻的连续变化来模拟神经突触权重变化的新型半导体器件,融合了存储和计算两种功能。因此,它的出现打破了传统意义上具有数字计算功能的冯·诺依曼体系结构。忆阻器作为一种非易失性存储器,已被证明可以模拟神经形态计算,类似于大脑中的原位信息处理。另一方面,作为用于可穿戴和可植入电子器件的人工生物突触,生物忆阻器在神经形态计算中已引起越来越多的关注。迄今为止,生物忆阻器已经实现了一系列杰出的神经功能,例如长期增强和长期抑制,依赖于尖峰时间的可塑性和成对冲动促进,进一步拓展了忆阻器的应用。特别的是,可降解生物忆阻器具有作为可植入生物医学器件和电子存储系统的潜力。然而,在忆阻器中,导电丝的生长位置和成核动力学存在问题,由此引起不稳定的开关参数,将会导致器件各方面电学性能的不稳定。针对可植入电子系统的人工生物突触的特殊需要,本文做了如下三项研究叠层结构的忆阻器来改善传统忆阻器各方面性能。1.使用掺杂有纳米金簇的牛血清蛋白（BSA:Au）制备了结构为Ag/BSA:Au/Pt的器件,并通过添加传统的阻变功能层材料HfO2制备出结构为Ag/HfO2/BSA:Au/Pt的双层叠层结构忆阻器。相比于单层结构的Ag/BSA:Au/Pt器件,双层混合结构为Ag/HfO2/BSA:Au/Pt的器件不仅仅展现出可逆的双极性电阻开关特性,在高低阻保持特性上表现出长达5×104s的时长,并且高低阻的分布区间较没有HfO2层的器件则更为集中。除此之外,双层混合结构为Ag/HfO2/BSA:Au/Pt的器件的开启和关闭电压值明显降低,开启电压主要集中在0.1 V到0.2 V之间,关闭电压主要集中在-0.2 V到-0.05 V之间。另一方面,器件主要通过高低阻值之间的切换来进行信息的存放,相较于没有添加HfO2层的器件,HfO2层的添加使得切换速度有明显的优势,更有利于信息的存储效率。最重要的是本文深入研究了添加HfO2层后致使器件性能得到改善的机理,认为通过添加HfO2层使得导电细丝断裂位点主要集中在双层结构的交界处是大幅改善器件性能的原因。在添加HfO2层致使结构为Ag/BSA:Au/Pt的器件性能大幅提升的基础上,创造性的将相同的结构构建在柔性衬底上,制备出结构为Ag/HfO2/BSA:Au/Pt/PDMS的柔性器件。该器件除了具有非柔性器件Ag/HfO2/BSA:Au/Pt稳定的I-V特性、稳定的保持特性、非线性的双向电导调制特性外,在弯曲半径达到2.1 mm后,仍然显示出良好的I-V特性和双向电导调制特性。并且在经历了600次弯曲之后,I-V特性仍然具有良好的重复性。最后将基于PDMS柔性衬底的器件浸入去离子水中以研究生物忆阻器的物理瞬态降解行为。由于中间层BSA的主要成分是大分子的生物蛋白,所以在经历了90分钟之后器件被降解。该项研究表明,生物材料与氧化物的结合开创了一个柔性可降解忆阻器的平台,推动人工可穿戴神经系统的发展。2.二维材料在电子学中发挥着重要作用,在这里,我们制备出二维As0.8P0.2材料,并且制备了结构为Al/As0.8P0.2/ITO忆阻器。该器件展示出稳定、缓变的双极性特性。本研究深入分析了该超薄器件的阻变机制,为下一步的研究提供了相关参考。3.制备了叠层结构为Ag/HfO2/As0.8P0.2/Pt的忆阻器,通过HfO2提高二维材料As0.8P0.2在忆阻器应用上的相关性能,克服二维材料As0.8P0.2在高温环境下易于被氧化从而导致忆阻器性能不稳定的缺点,增强忆阻器的环境适应能力,使其在不同温度下依然保持良好的忆阻性能以及生物突触仿生性能。除此之外,我们还对忆阻器Ag/HfO2/As0.8P0.2/Pt开关功率进行了计算并且与其他忆阻器功率进行了比较,结果发现该忆阻器功率较低,为探究二维材料在忆阻器应用上的新前景提供了有希望的途径。
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