一种本征突触可塑性可调控的ZTO半导体纤维基突触晶体管的制备方法

本发明属于半导体器件领域，具体来说，涉及一种本征突触可塑性可调控的zto半导体纤维基突触晶体管的制备方法。

背景技术：

1、得益于与突触互连的大约1000亿个神经元的复杂网络，人脑能够并行存储和处理大量的信息。突触可塑性对于神经元活动至关重要，它作为大脑学习和记忆能力的基本因素，按持续时间可分为短程可塑性(stp)和长程可塑性(ltp)。因此，模仿生物突触的本质功能，实现本征突触短程和长程可塑性的调节，对于类脑人工智能、生物混合系统和神经机器人等具有重要意义。为了模拟生物突触，科学家们已经制备了如相变忆阻器，突触晶体管等多种类型的人工突触，以实现信息传输和处理。同时，在调节人工突触的本征突触可塑性方面也做出了巨大的努力，以满足各种应用需求。在此背景下，有必要进一步探索调节本征突触可塑性的可行方法。

2、近年来，金属氧化物作为半导体材料引起了研究人员的广泛关注。其中，氧化锌锡(zto)材料成本低廉且zno和sno2纳米晶体某些晶面具有良好的相容性，常被用来制备薄膜晶体管、紫外探测器等。此外，有关zto半导体纤维基突触晶体管的报道，也证明了其在大规模、高度集成的神经形态系统中具有较高的应用价值。文献“(见美国学术期刊《ieeeelectron device letters》2019年，第40卷，第1776-1779页)”，报道了一种静电纺丝方法制备的zto纤维基突触晶体管，该方法是通过静电纺丝制备zto半导体沟道，然后蒸镀铝作为源、漏极，最后滴加peo/liclo4作为聚合物-电解质栅极来实现的；然而，其zto半导体纤维不能有序排列，且未实现突触晶体管本征突触可塑性的调控，一定程度上限制了器件在神经形态电子学和类脑计算等领域的应用。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了一种本征突触可塑性可调控的zto半导体纤维基突触晶体管的制备方法。该器件的结构包括：从下往上依次为衬底、zto半导体纤维、金属电极层和栅极介质层；制备方法为首先配制不同zn/sn摩尔比的前驱体溶液；其次利用华威科电流体打印机制备不同zn/sn摩尔比的zto半导体纤维作为突触晶体管的沟道；然后在经高温退火的zto半导体纤维上蒸镀金属电极作为源极和漏极；最后将离子胶转移覆盖在zto半导体纤维上作为栅极，制得本征突触可塑性可调控的zto半导体纤维基突触晶体管。本发明所采用的方法实现了zto半导体纤维有序排列，首次制备出本征突触可塑性可调控的zto半导体纤维基突触晶体管，为神经形态电子学和类脑计算领域的器件设计和制备提供了有益的指导。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种本征突触可塑性可调控的zto半导体纤维基突触晶体管的制备方法，该方法包括如下步骤：

4、(1)将待用衬底分别用去离子水、异丙醇、丙酮和无水乙醇依次超声清洗15～30分钟，然后用氮气将衬底表面吹干；

5、(2)将n，n-二甲基甲酰胺作为溶剂，溶解聚乙烯吡咯烷酮、硝酸锌水合物及氯化亚锡二水合物，在20～70℃下磁力搅拌0.5～24小时，得到前驱体溶液；

6、其中，质量比聚乙烯吡咯烷酮：(硝酸锌水合物+氯化亚锡二水合物)＝1:1～4，摩尔比zn原子：sn原子＝7:3～3:7；前驱体溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为5％～14％；

7、(3)利用电流体打印设备，在衬底上将步骤(2)中前驱体溶液打印为zto半导体纤维；

8、其中，在注射器针头上施加0.5～4.5kv的高电压，将注射器针头到基板的距离设置为0.5～20mm，注射器的出液流量设置为1～250nl/min，基板的移动速度设置为50～1000mm/s，基板温度设置为40～80℃，打印长度设置为0.01～20cm；

9、(4)将步骤(3)中所打印的纤维在空气中、300～700℃下煅烧30～300min，得到zto半导体纤维，待温度降至室温后取出；

10、(5)利用掩模板，在步骤(4)中获得的zto半导体纤维两端表面蒸镀金属电极，作为突触晶体管的源极和漏极；

11、(6)在步骤(5)中样品的半导体纤维表面贴离子胶作为突触晶体管的栅极，最终制成本征突触可塑性可调控的zto半导体纤维基突触晶体管；

12、所述的调控方法为：通过改变zn/sn原子的摩尔比例，调控zto半导体纤维的晶体结构，进而调控zto半导体纤维基突触晶体管的本征突触可塑性。

13、当zn/sn原子的摩尔比例为7:3时，得到纤锌矿型晶体结构的半导体纤维；当为1:1时，得到非晶结构的半导体纤维；当为3:7时，得到锐钛矿型晶体结构的半导体纤维，对应分别制备出具有本征短程(7:3)、本征短程(1:1)和本征长程(3:7)突触可塑性的zto半导体纤维基突触晶体管。

14、步骤(1)中的衬底为si/sio2、al2o3或玻璃。

15、步骤(4)中所得纤维直径为0.1～10μm，纤维之间的间距为10～2000μm。

16、步骤(5)中，利用掩模板在zto半导体纤维表面蒸镀60～200nm厚、间隔分布的金属电极，作为源极和漏极，其中，金属为金、银、铝、钛/金等金属。

17、步骤(6)中，所述的离子胶是壳聚糖、pva或[emim][tfsi]，厚度为0.05～500μm。

18、本发明的实质特点为：

19、当前技术中制备zto纤维基突触晶体管所采用的方法为静电纺丝，所得zto纤维杂乱无章，且现有zto纤维基突触晶体管未能实现本征突触可塑性调控。

20、本发明通过物料的选择、zn/sn摩尔比和打印参数的调控，实现了本征短程突触可塑性和本征长程突触可塑性的选择性调控，提供了纤维基突触晶体管本征突触可塑性调控的新方法，具体体现在：

21、利用电流体打印机制备zto半导体纤维，需要统筹调节前驱体配比参数和打印工艺参数，其中前驱体配比参数包含金属盐的浓度、金属盐的比例和聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度等；打印工艺参数包含电压、针头到基板距离、基板温度、基板的移动速度、注射器的出液流量、打印长度和打印间距等。为保持纤维尺度和形貌的一致，改变其中某一参数，需要同时协调其他参数。因此，本发明中，在调节金属盐比例的同时，为保持纤维尺度和形貌的一致性，还需要同时兼顾调节金属盐与聚乙烯吡咯烷酮的质量比、聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度、电压、针头到基板距离、基板温度和注射器的出液流量等参数。

22、(1)，相比于传统静电纺丝设备制备zto纤维时所需的高电压(大于10kv)和较大的针头到基板距离(大于10cm)，本发明采用电流体打印设备来制备zto半导体纤维，该方法所需的电压更低(小于4.5kv)，针头到基板距离更近(小于2cm)，具有节能环保的优点；此外，相比于静电纺丝得到的杂乱分布的zto纤维，本发明通过打印参数的数码控制，获得了有序排列的zto半导体纤维。同时，本发明引入基板温度参数，高的基板温度有利于纤维中溶剂的快速挥发，提高基板温度，可以在较高的电压和较大的针头到基板距离下获得有序排列的纤维，从而使参数设置更加灵活，拓展了参数选择范围和打印条件，进而可根据环境温度和湿度的变化，灵活选择各项参数配置。

23、(2)，本发明在配制zto打印前驱体溶液时，通过调节硝酸锌水合物和氯化亚锡二水合物的投料比来控制zn和sn原子的摩尔比例，通过提高zn/sn原子摩尔比，的精确控制，实现了zto半导体纤维晶体结构的可控调节，即当zn/sn原子的摩尔比例为7:3时，得到纤锌矿型晶体结构的半导体纤维；当为1:1时，得到非晶结构的半导体纤维；当为3:7时，得到锐钛矿型晶体结构的半导体纤维，对应分别制备出具有本征短程(7:3)、本征短程(1:1)和本征长程(3:7)突触可塑性的zto半导体纤维基突触晶体管。

24、(3)，本发明中，提供zn原子的溶质为硝酸锌水合物，其分子量(297.5g/mol)远大于氯化锌(136.3g/mol)，即获得相同摩尔数的zn原子溶质的质量变大，可相对降低聚乙烯吡咯烷酮的添加量，进而使得高温煅烧时聚乙烯吡咯烷酮更易完全挥发，有利于zto的结晶，且减少了zto纤维中碳元素残留，得到更加纯净的zto。

25、本发明的有益效果为：

26、本发明提出了一种本征突触可塑性可调控的zto半导体纤维基突触晶体管的制备方法，利用华威科电流体打印机，在衬底上打印zto半导体纤维作为沟道，通过合理地控制前驱体浓度、溶质/溶剂配比、打印机参数和高温退火条件等参数，获得了物理、化学性质稳定，光电性能优异的zto半导体纤维。相比于传统静电纺丝，本发明制备zto纤维时所需电压低，针头到基板距离近，更加节能环保，且所得zto纤维可有序排列。特别是，在配制zto打印前驱体溶液时，通过调节硝酸锌水合物和氯化亚锡二水合物的投料比来控制zn和sn原子的摩尔比例，通过zn/sn原子摩尔比的精确控制，实现了zto半导体纤维晶体结构的可控调节，进而得到本征突触可塑性可调控的zto半导体纤维基突触晶体管，所制备的突触晶体管可实现对突触可塑性的模拟，如兴奋性突触后电流(epsc)，双脉冲易化(ppf)和脉冲数量依赖可塑性(sndp)。本发明通过提高基板温度，可在较高的电压和较大的针头到基板距离下获得有序排列的纤维，从而使打印参数设置更加灵活，拓展了参数选择范围和打印条件，进而可根据环境温度和湿度的变化，灵活选择各项参数配置。此外，本发明中提供zn原子的溶质为硝酸锌水合物，其分子量(297.5g/mol)远大于氯化锌(136.3g/mol)，即获得相同摩尔数的zn原子溶质的质量变大，可相对降低聚乙烯吡咯烷酮的添加量，进而使得高温煅烧时聚乙烯吡咯烷酮更易完全挥发，有利于zto的结晶，且减少了zto纤维中碳元素残留，得到更加纯净的zto。总之，与采用静电纺丝方法制备的zto纤维基突触晶体管相比，本发明所用方法工艺更加优化，且实现了zto纤维的有序排列和本征突触可塑性的调控，可根据需求制备具有不同本征长/短程可塑性的突触晶体管，弥补了现有技术的不足，在神经形态电子学和类脑计算等领域具有重要意义。