【《某有机突触晶体管的制备与仿生测试分析案例》5500字（论文）】

某有机突触晶体管的制备与仿生测试分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u24316某有机突触晶体管的制备与仿生测试分析案例 19402第1章有机突触晶体管的制备 1291481.1实验仪器 1167241.1.1蒸镀机 1144691.1.2旋涂机 2173001.1.3半导体分析仪 3113111.1.4接触角测试仪 45061.2制备过程 528041.2.1硅衬底前期处理 5259581.2.2制备半导体有源层 5308761.2.4真空蒸发蒸镀金电极 53907第2章有机突触晶体管的仿生测试 7293512.1有机突触晶体管的电学性能 7189172.1.1转移特性曲线 765542.1.2开关电流比 8238352.1.3二氧化硅绝缘层接触角测试 886812.2有机突触晶体管的突触行为模拟 10286702.2.1单脉冲响应 1043342.2.2双脉冲响应 11108842.2.4多脉冲响应 14第1章有机突触晶体管的制备1.1实验仪器1.1.1蒸镀机实验采用BOX-RH400型真空蒸发镀膜机，用于金电极的制备。BOX-RH400型真空蒸发镀膜机实物图如图3-1所示。图3-1BOX-RH400型真空蒸发镀膜机实物图1.1.2旋涂机本次实验采用的旋涂机为SC-1B型匀胶机。该仪器主要用于源极材料、绝缘半导体层材料的旋涂。SC-1B型匀胶机通过变频器控制电机转速，从而达到均匀调速的效果。此外，SC-1B型匀胶机可实现分别设置转速和匀胶时间。图3-2为SC-1B型匀胶机实物图。图3-2SC-1B型匀胶机1.1.3半导体分析仪实验采用KeysightB2902A型半导体测试仪，该仪器为电学性能测试仪器，在实验中用于测试有机突触晶体管的参数并绘制出特性曲线。图3-3为KeysightB2902A型半导体测试仪实物图。图3-3KeysightB2902A型半导体测试仪实物图1.1.4接触角测试仪接触角的测试采用的是KinoSL200KS设备。图3-3KinoSL200KS1.2制备过程本次实验设计的有机突触晶体管制备主要分为硅衬底前期处理、制备半导体有源层、真空蒸发蒸镀金电极三个部分。1.2.1硅衬底前期处理1．切割硅片取厚度为100nm的硅片，切割成尺寸为1.5×1.5cm的薄片。2．清洗硅片硅片清洗主要利用有机溶剂来去除硅片表面的颗粒物及油渍。将二氧化硅基片依次在丙酮、异丙醇、去离子水中清洗，并通过氮气枪吹干。1.等离子处理对清洗后的硅片进行不同时间的N2/O2等离子处理（0、5、10、20分钟），其中等离子处理的N2流量和O2流量分别为322ml/min和138ml/min，电压为620V，电流为200mA，射频频率11.56MHZ。1.2.2制备半导体有源层1.配置IDT-BT溶液取5mgIDT-BT于试剂瓶中，加入氯苯充分溶解。2.旋涂法制备有机半导体层将硅片放置于SC-1B匀胶机指定位置，滴满配置好的IDT-BT溶液，设置转速为1000r/min，时间为60s。旋涂后，硅片表面呈墨绿色。再将硅片放置于加热台上，在100℃下退火10min。1.2.4真空蒸发蒸镀金电极1.装配掩膜版将硅片装配于掩膜版中。2.真空蒸发蒸镀金电极加入金颗粒，将装配好的掩膜版放于蒸镀机中，抽真空后采用真空蒸发法制备金电极。蒸镀的金的厚度为50nm，速率为0.3A/s。图3-6有机突触晶体管实物

第2章有机突触晶体管的仿生测试2.1有机突触晶体管的电学性能2.1.1转移特性曲线转移特性曲线即当漏极电压保持不变时，漏极电流在栅极电压的变化下发生变化所得到的曲线[18]。通过I-V测量，能够绘制出输出特性曲线与转移特性曲线，并从中得到各种参数值。因此输出特性曲线和转移特性曲线对于分析场效应晶体管的性能来说，是至关重要的。图2（a）为绝缘层未处理的以及等离子处理5分钟、10分钟、20分钟的有机薄膜晶体管的转移特性曲线。从中可以看出，四者之间的开关比差异并不大，但经过等离子处理的晶体管的阈值电压有向右偏的趋势。而在图2（b）的双扫回滞曲线中，四个器件则显示出了较大的区别，经过等离子处理的晶体管的曲线展现出了比未处理的晶体管更加明显的迟滞特性，形成了更大的记忆窗口，并且随着等离子处理时间的增加，窗口的范围也在增加。此外，我们对等离子处理20分钟的薄膜晶体管进行了连续5次的双扫（图2（c）），曲线保持着较为一致的记忆窗口，体现了稳定的迟滞特性。2.1.2开关电流比开-关电流比（ION/IOFF）即为场效应晶体管开状态电流与关状态电流的比值[19]。场效应晶体管对于电流的调控能力可通过其开-关电流比来体现。此外，开-关电流比是一个相对的参数。该值的大小和测试时施加的源漏电压和栅极电压的大小有关。从中可以看出，四者之间的开关比差异并不大，但经过等离子处理的晶体管的阈值电压有向右偏的趋势。2.1.3二氧化硅绝缘层接触角测试等离子处理给该有机薄膜晶体管带来了更大迟滞的原因，在于其给绝缘层界面引入了更大数量的羟基。我们对四种处理情况下的SIO2绝缘层进行了接触角测试，测试结果如图3所示。在未处理的情况下，去离子水与绝缘层的接触角为42.807°，而在经过5分钟等离子处理之后，接触角发生了明显地减小，下降到32.099°。而随着等离子时间的增加，处理10分钟、20分钟的绝缘层的接触角下降的更多，处理20分钟的SIO2的接触角仅为19.252°，绝缘层表面的亲水性得到了大幅提升。这就证明了通过不同时间的等离子处理，SIO2表面的羟基数量得到了显著提升。图3去离子水在不同等离子处理时间的SiO2表面的接触角图。（a）未处理（b）5分钟（c）10分钟（d）20分钟Fig.3ContactanglediagramofdeionizedwateronSiO2surfaceatdifferentplasmatreatmenttime.(A)Untreated(b)5minutes(c)10minutes(d)20minutes对于常规的有机薄膜晶体管，绝缘层表面过多的羟基会影响载流子的传输，增大器件的迟滞现象。因此往往科研人员会设法降低绝缘层表面的羟基数量，如通过OTS处理使甲硅烷基键合到SiO2表面，产生一层坚固的自组装层，减小SiO2表面的羟基，提高晶体管性能[23]。但对于有机突触晶体管则不然，更大数量的羟基将有利于突触功能的实现。接下来我们具体阐述绝缘层表面羟基数量对于突触器件性能的影响。如图4（a）所示，当我们给晶体管栅极施加正电压时，受到电场的作用，半导体层中的电子会向下方的半导体/绝缘层界面移动。而绝缘层表面的羟基对于半导体沟道中的电子具有捕获能力[24]，因此即使此时将正电压去除或施加负电压，部分的电子依然会被羟基捕获不能立刻回到沟道中（图4（b））。而这些电子被捕获在基团中不仅无法与沟道中的空穴复合，同时还会在自身周围感应出空穴，这就导致了沟道中空穴浓度的增加。对于多子为空穴的P型半导体而言，其沟道电流（电导）会得到增加，导致阈值电压的右偏以及记忆窗口的增加。这种捕获并缓慢释放载流子的趋势对于实现突触行为的模拟十分重要。图4器件工作机理（a）施加正栅压时（b）电压消失时Fig.4Workingmechanism(a)Whenapositivegatevoltageisapplied(b)Whenthevoltagedisappears2.2有机突触晶体管的突触行为模拟在完成有机突触晶体管的制备工作后，即可开始测试不同状态下有机突触晶体管的响应特性。测试之前先将制备好的硅片磨掉一个角，然后装配在半导体测试仪上。通过测试仪上的显微镜放大硅片直至可以再电脑上看到清晰的金质电极，在硅片上画一个圈将一对源极和漏极与周围的硅片区分开，将测试仪的探头分别对准划出来的金质源极和漏极，再将第三个探头对准磨掉一个角的位置，该位置即为有机突触晶体管的栅极。固定源漏电压，扫描栅压，测量源漏间的电流，即可得到有机突触晶体管的转移曲线。再分别对有机突触晶体管施加单个脉冲、双脉冲以及多个脉冲，测试在不同脉冲下有机突触晶体管的响应。2.2.1单脉冲响应对有机突触晶体管栅极施加一个20V脉冲宽度为300ms的脉冲，再对源极和漏极施加一个20V脉冲宽度为300ms的读脉冲，测量有机突触晶体管的源漏电流IDS，如图4-3（a）所示。从图中可以看出，单脉冲响应的衰减曲线类似于指数函数。通过一个函数模拟衰减函数，如图4-3（b）所示。图中红色曲线的函数为I=I_∞+Aexp(-t/τ)可以得到衰减系数τ=2.29ms，其衰减系数相较于其他突触器件较高。产生这一状况的原因是量子点是壳核结构，对电子的捕获能力较强，电子被量子点捕获后恢复的时间较长，因此衰减速度慢[21]。改变脉冲的宽度，取不同脉冲宽度下源漏电流的最高值，如图4-3（c）所示。由图可知，随着脉冲宽度不断增加，单脉冲响应不断增强。而如图5（b）所示，我们通过施加幅度为20V，脉冲宽度为60ms的电压脉冲对四种处理的有机晶体管分别进行了EPSC（奋性突触后电流）响应的模拟。可以发现，对于没有等离子处理过的晶体管，并没有产生明显的EPSC响应。尽管该晶体管的双扫曲线具备一定的回滞特性，但那是在电压作用下绝缘层界面缺陷所导致的。当电压消失后，界面缺陷没能对载流子形成有效捕获，载流子会迅速回到沟道中。因此，当所给脉冲消失之后，该器件的电流就急速衰减回接近初始状态的水平，表明其并不具有突触特性。而进行过等离子处理的三个晶体管，都可以看到明显的EPSC响应，并且随着等离子时间的增加，电流的衰减速度逐渐减缓，衰减之后的电流大小有明显提高。这正如前文所描述的，是因为更长时间的等离子处理引入了更多的羟基产生了更多的捕获，进而造成了更慢的电流衰减。图5（a）生物突触示意图（b）不同等离子处理时间的有机薄膜晶体管的EPSC响应Fig.5(a)Schematicdiagramofabiologicalsynapse(b)EPSCresponsesoforganicthinfilmtransistorswithdifferentplasmatreatmenttimeab图4-2有机突触晶体管的单扫、双扫响应图2.2.2双脉冲响应对双脉冲易化（PairedPulseFacilitation,，PPF）是STP的一种典型形式。它指的是当神经元快速且连续接受到两个刺激时，可以观察到第二脉冲的引起EPSC（A2）大于第一脉冲引起的EPSC（A1）的现象。我们通过施加连续的两个电压脉冲（20V，60ms，脉冲间隔时间为30ms）在经过等离子处理的三个晶体管上模拟出了同样的行为。和先前的EPSC响应的情况一样，经过20分钟等离子处理的晶体管展现出了最显著的PPF现象（图6（a））。A2与A1的比值被定义为PPF指数。该器件的PPF指数可以达到187%，而处理5分钟和10分钟的晶体管分别为164%和175%。器件的这种PPF现象是因为施加第一个脉冲后绝缘层界面羟基所捕获的电子还没有完全释放，第二个脉冲就已经来到，导致了更多电子被捕获，进而提升了第二次的EPSC响应。进一步地，我们测试了不同脉冲间隔时间△tpre下器件的PPF指数变化，如图6（b）所示。随着△tpre的增加，三者的PPF指数变化表现出一致地指数式下降规律，这同样与生物突触一致。图6（a）等离子处理20分钟的有机薄膜晶体管的PPF响应（b）不同等离子处理时间的有机薄膜晶体管的PPF指数与△tpre的关系4对有机突触晶体管栅极施加两个20V、脉冲宽度以及脉冲间隔均为300ms的脉冲，再对有机突触晶体管源极和漏极施加一个同样的读取双脉冲，测量有机突触晶体管的源漏电流IDS，如图4-4（a）所示。第一个脉冲产生的初始响应电流约为20nA，而第二个脉冲产生的初始响应电流约为30nA。改变两个脉冲之间的脉冲宽度，取第二个脉冲响应与第一个脉冲响应的比值的百分比为纵坐标，可得图4-4（b）。随着脉冲宽度不断增加，百分比不断减小，即两次脉冲产生的初始响应电流不断接近。由图4-4（a）所示，对有机突触晶体管施加双脉冲时产生了双脉冲易化现象[21]。突触的双脉冲易化现象对于人脑处理类似于声音、图像等具有时序的信息来说非常重要，其具体表现为当突触连续收到两个脉冲信号时，对第二个信号产生的响应要强于对第一个信号产生的响应。而产生这一现象的原因是对有机突触晶体管施加第一个脉冲后，电子被量子点捕获，未全部排出后便施加第二个脉冲，此时量子点内的电子数量高于未施加脉冲时量子点内的电子数量，因此双脉冲响应中第二个脉冲的响应要比第一个脉冲响应更高，如图4-4（a）所示。随着脉冲间隔不断增加，恢复的电子越来越多，第二个脉冲的响应与第一个脉冲的响应也越来越接近。当脉冲间隔达到1800ms时两个脉冲响应基本相同，如图4-4（b）所示。ab图4-4双脉冲响应图2.2.4多脉冲响应对有机突触晶体管栅极施加十个20V、脉冲宽度以及脉冲间隔均为300ms的脉冲，对源极和漏极施加同样的十个读取多脉冲，测量有机突触晶体管的源漏电流IDS，如图4-5（a）所示。由图可知，在对有机突触晶体管施加多个脉冲时，有机突触晶体管的响应随着脉冲数量的增加不断增大。将脉冲的数量逐渐增加到20、30、40个，测量有机突触晶体管的源漏电流IDS，只取响应的衰减部分为纵坐标，如图4-5（b）所示。取图4-5（b）中不同脉冲个数响应电流的最高点与当前时间响应电流的比值的百分比为纵坐标，可得图4-5（c）。由图4-5（c）可知，随着脉冲数量的增多，电流的衰减越来越少，达到饱和时所剩下的电流百分比越来越大，即训练次数的增多，有机突触晶体管可记忆的内容也随之增加，且在一定时间后达到饱和，这一特性与突触的记忆过程十分相似，随着输入信号不断积累，突触的连接强度不断增大，这一过程就是得到的信息在人脑中巩固形成记忆的过程[22]。当栅压为20V时，随着时间增加，响应电流不断增大。当栅压由正20V改为-20V时，随着时间的增加，响应电流不断减小，如图4-5（d）所示。响应电流由大到小转变的这一过程模仿了突触中由长程兴奋转变为长程抑制的过程。相比起STP，突触的长程可塑性（LTP）可以在外界刺激下将权重的变化保持相对持久的时间，这也是长期记忆以及学习地基础。本文同样对等离子处理的有机薄膜晶体管进行了长程可塑性的研究。我们给器件施加了连续的30个电压脉冲（20V，60ms，脉冲间隔时间为30ms）以观察EPSC的变化。如图7（a）展示了等离子处理20分钟的晶体管经过30个正脉冲后的响应。显然，随着脉冲数的增加，EPSC响应也在不断增加，而在脉冲结束之后，其EPSC缓慢衰减，并且保持在比较高的水平，表现出类似于长程记忆的特性。图7（b）展示了三个器件在30个