一種基于MoS2和GaSe異質(zhì)結(jié)光電類(lèi)突觸器件的制備與研究

彭皓

摘 要：信息時(shí)代的來(lái)臨，使得在人工智能、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域急需更高性能的計(jì)算系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的馮·諾依曼體系架構(gòu)在信息處理和存儲(chǔ)方面存在缺陷。研究者把目光轉(zhuǎn)向了神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算，即通過(guò)模擬自然界中最高效的計(jì)算系統(tǒng)—人腦來(lái)極大地提升計(jì)算機(jī)的計(jì)算效率并實(shí)現(xiàn)智能化。而要實(shí)現(xiàn)神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算這一偉大構(gòu)想，首要目標(biāo)便是制備出能在結(jié)構(gòu)以及功能上模擬生物突觸的新型器件—即類(lèi)突觸器件。類(lèi)突觸器件已經(jīng)取得一定發(fā)展，但是仍面臨帶寬不足以及信號(hào)串?dāng)_等問(wèn)題。而通過(guò)引入光學(xué)信號(hào)，光電類(lèi)突觸器件可以有效解決以上問(wèn)題。MoS2和GaSe等作為光電性能優(yōu)異的二維半導(dǎo)體材料，一直以來(lái)被廣泛應(yīng)用于光電探測(cè)領(lǐng)域。本文通過(guò)制備MoS2/GaSe異質(zhì)結(jié)并過(guò)施加脈沖激光信號(hào)，使器件成功模擬生物突觸行為，對(duì)神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算的發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：異質(zhì)結(jié);突觸;光電響應(yīng)

摩爾定律是由英特爾的聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾在1965年提出的，他認(rèn)為“每過(guò)18個(gè)月，單位面積的芯片上面集成的晶體管數(shù)量將會(huì)增加一倍”。然而由于面臨傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的硅基晶體管器件物理尺寸即將到達(dá)物理極限，加上熱效應(yīng)以及量子效應(yīng)的限制，縮小器件尺寸換取高集成密度的發(fā)展路線(xiàn)受阻，導(dǎo)致了摩爾定律失效。與此同時(shí)，目前的計(jì)算機(jī)采用的是馮·諾依曼架構(gòu)，其計(jì)算中心（CPU）和存儲(chǔ)中心（Memory）相互分離，其中數(shù)據(jù)和指令放在存儲(chǔ)中心里，這可以極大地提升計(jì)算機(jī)的泛用性;數(shù)據(jù)的計(jì)算在計(jì)算中心進(jìn)行;數(shù)據(jù)和指令的反復(fù)傳輸則在總線(xiàn)（BUS）上進(jìn)行。然而當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大時(shí)，數(shù)據(jù)與指令在計(jì)算中心與存儲(chǔ)中心之間的傳輸速度（帶寬）將極大地限制處理器性能并且會(huì)在傳輸時(shí)產(chǎn)生可觀(guān)的能耗，從而限制整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率，這個(gè)問(wèn)題被稱(chēng)為馮·諾依曼瓶頸。目前計(jì)算機(jī)擅長(zhǎng)處理的是具有明確邊界條件、指定輸入的特定問(wèn)題，在這種問(wèn)題上其處理速度以及計(jì)算結(jié)果精度方面明顯遠(yuǎn)高于人腦。然而現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題大多輸入輸出條件都不確定，并且實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，例如在圖像識(shí)別、邏輯推演、自我學(xué)習(xí)以及預(yù)測(cè)方面，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)就會(huì)顯得非常吃力。另一方面基于傳統(tǒng)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件的人工大腦計(jì)算機(jī)芯片卻進(jìn)展緩慢。而類(lèi)突觸器件的提出以及研究給這一難題提出了很好的解決思路。

本文采用二維材料MoS2/GaSe異質(zhì)結(jié)，利用MoS2/GaSe對(duì)于光的高響應(yīng)幅度、寬響應(yīng)帶寬以及超快響應(yīng)速度，制備出能夠模擬生物突觸行為的晶體管型類(lèi)突觸器件。器件可以對(duì)光刺激信號(hào)做出響應(yīng)，通過(guò)研究其光電性能并且探究其作為神經(jīng)仿生器件的應(yīng)用前景，對(duì)人工神經(jīng)突觸電子領(lǐng)域的發(fā)展空間進(jìn)行了拓展。

1 器件制備與表征

基底的清洗：將實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買(mǎi)的ITO導(dǎo)電玻璃依次放在裝有丙酮、乙醇、去離子水的燒杯中，然后將燒杯置于超聲波清洗機(jī)的水槽內(nèi)超聲清洗10分鐘。超聲清洗完成后用氮?dú)鈽尨蹈桑糜跓崤_(tái)上100℃持續(xù)5分鐘以烘干。

ITO光刻：為了制備圖形化的ITO電極，首先采用正膠光刻工藝將圖形轉(zhuǎn)移到ITO上。具體操作為首先將AZ-6112光刻膠旋涂于ITO玻璃上，旋涂參數(shù)為1000轉(zhuǎn)/分鐘10s，然后3000轉(zhuǎn)/分鐘30s;旋涂完成后，置于熱臺(tái)100℃1分鐘以烘干固膠;烘干后使用無(wú)掩模激光直寫(xiě)光刻機(jī)進(jìn)行圖形化光刻;光刻完成后將ITO取出，置于顯影液中50s，然后在去離子水內(nèi)浸泡1分鐘;顯影完成后取出樣品，置于熱臺(tái)100℃10分鐘以烘干并固膠，至此整個(gè)光刻完成。

ITO圖形化刻蝕：首先按照去離子水：60%濃鹽酸：75%濃硝酸以50∶3∶1的配比配置ITO刻蝕液，70℃恒溫水浴加熱待用;隨后，將光刻好的ITO置于刻蝕液中50s，以刻蝕掉多余部分，取出后放入去離子水浸泡1分鐘;將ITO從去離子水取出，置于丙酮中浸泡1分鐘以去除剩余光刻膠。至此，ITO電極制備成功，叉指寬度為20微米，叉指間距為30微米。

機(jī)械剝離得到的MoS2或GaSe尺寸通常在100μm以下，要成功構(gòu)建出MoS2/GaSe異質(zhì)結(jié)，必須要在精準(zhǔn)的位移下實(shí)現(xiàn)兩種材料的堆疊?；诖?，實(shí)驗(yàn)搭建了一個(gè)微位移轉(zhuǎn)移操作臺(tái)，該操作臺(tái)由超景深顯微鏡、顯示器以及微位移臺(tái)組成，其中具有最大1000倍放大倍數(shù)的超景深顯微鏡，以及與其相連的顯示器用于實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)二維材料的位置、尺寸等。在具有XYZ方向上1μm位移精度的微位移臺(tái)操作下，實(shí)現(xiàn)MoS2和GaSe轉(zhuǎn)移到基底電極以及精準(zhǔn)堆疊形成范德華爾斯異質(zhì)結(jié)。

最終制備的器件結(jié)構(gòu)圖以及光鏡下實(shí)物圖如圖1（a）（b）所示。

在成功完成了異質(zhì)結(jié)堆疊以及器件制備后，隨后對(duì)于MoS2/GaSe組成的異質(zhì)結(jié)進(jìn)行了原子力顯微鏡表征以及拉曼光譜表征，其結(jié)果如圖2所示。其中如圖1（c）所示為MoS2/GaSe堆疊區(qū)域的拉曼光譜，其中MoS2兩個(gè)明顯的特征振動(dòng)峰A1g和E2g分別位于大約380cm-1和410cm-1處。GaSe的拉曼光譜表明存在三個(gè)明顯的特征振動(dòng)峰A11g，E2g和A21g，分別位于大約135cm-1，220cm-1和310cm-1處。而MoS2的兩個(gè)特征峰以及GaSe的三個(gè)特征峰均同時(shí)存在，說(shuō)明異質(zhì)結(jié)堆疊成功。如圖1（d）所示為異質(zhì)結(jié)區(qū)域的原子力顯微鏡圖像，可以看到MoS2和GaSe兩種材料各自的表面以及界面處均表現(xiàn)為平整光滑，無(wú)氣泡，無(wú)雜質(zhì)，無(wú)明顯斷裂。同時(shí)，經(jīng)過(guò)原子力顯微鏡的測(cè)量，異質(zhì)結(jié)區(qū)域厚度約為20nm，這也與拉曼光譜表征相對(duì)應(yīng)，表明本章所制備的MoS2/GaSe異質(zhì)結(jié)由多層二維材料組成。多層的MoS2以及GaSe具有更高的光吸收度以及光響應(yīng)度，更有利于制備低功耗、高靈敏度的光電類(lèi)突觸器件。

2 器件對(duì)生物突觸功能的模擬

為了模擬生物突觸功能，通過(guò)函數(shù)發(fā)生器將脈沖電壓施加到激光器上，產(chǎn)生脈沖激光信號(hào)，用于模擬突觸前脈沖;通過(guò)探針臺(tái)、Keithley-2400以及示波器，檢測(cè)到光生電流產(chǎn)生，用于模擬突觸后電流（EPSC）。進(jìn)一步地通過(guò)施加兩個(gè)相同的激光脈沖，得到如圖2的結(jié)果。當(dāng)兩個(gè)脈沖間隔時(shí)間較小時(shí)，很明顯第二個(gè)脈沖產(chǎn)生的EPSC大于第一個(gè)脈沖所觸發(fā)的，如圖2（a）所示，類(lèi)似于生物突觸系統(tǒng)中γ-氨基酸在低鈣環(huán)境下對(duì)誘導(dǎo)生物神經(jīng)系統(tǒng)的促進(jìn)作用。并且隨著兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間增加，這種增益逐漸減小。我們定義了兩個(gè)脈沖所觸發(fā)的EPSC幅值之差與第一個(gè)EPSC幅值的比值為雙脈沖易化系數(shù)（PPF Index），由圖2（b）可以看出，PPF系數(shù)隨間隔時(shí)間增加逐漸減小直至0，代表當(dāng)重復(fù)訓(xùn)練的間隔較大時(shí)，器件的記憶學(xué)習(xí)能力減弱。這表明器件成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物突觸雙脈沖易化的模擬。

3 結(jié)語(yǔ)

我們首先采用機(jī)械剝離得到MoS2和GaSe的少層薄片，利用光刻和溶液刻蝕得到微米級(jí)別的ITO叉指電極，然后在實(shí)驗(yàn)室自主搭建的微位移臺(tái)操作下實(shí)現(xiàn)MoS2和GaSe在ITO電極上的精準(zhǔn)堆疊形成異質(zhì)結(jié)，以此制備出以MoS2/GaSe范德華異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)的晶體管結(jié)構(gòu)光電類(lèi)突觸器件，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物突觸PPF的模擬，顯現(xiàn)了二維材料異質(zhì)結(jié)光電類(lèi)突觸器件在神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算領(lǐng)域的巨大潛在應(yīng)用價(jià)值，拓寬了類(lèi)突觸器件的材料和結(jié)構(gòu)范圍。

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