基于氧化物基电解质栅控晶体管突触的关联学习

电解质栅控晶体管(Electrolyte-gated transistors, EGTs)的沟道电导连续可调特性使其在构建神经形态计算系统中具有巨大应用潜力。本工作以非晶态Nb₂O₅作为沟道材料, Li_xSiO₂作为栅电解质材料,制备了一种具备低沟道电导(～120n S)的EGT器件。该器件利用Li⁺嵌入/脱出Nb₂O₅晶格导致的沟道电导连续可逆变化,模拟了神经突触的短程可塑性(Short-termplasticity,STP)、长程可塑性(Long-termplasticity,LTP)以及STP向LTP的转变等功能。基于这种EGT突触特性,本工作设计了关联学习电路,实现了突触权重的负反馈调节,并模拟了“巴普洛夫的狗”经典条件反射行为。这些结果展现出EGT作为神经突触器件的巨大潜力,为实现神经形态计算硬件提供了器件参考。     

基于Al2O3/Chitosan叠层栅介质的双栅IGZO神经形态晶体管

基于铟镓锌氧(IGZO)的双电层(EDL)晶体管以低加工温度、良好的一致性以及丰富的离子动力学等优势,在神经形态感知和计算系统中具有极大的潜在应用前景。然而,双电层IGZO晶体管的高漏电(>10 nA)导致的高能耗以及异常电流尖峰/毛刺一直是相关神经形态计算发展的主要障碍之一。本研究提出了一种具有Al2O3/壳聚糖(Chitosan)叠层栅介质的新型IGZO神经形态晶体管。与单层壳聚糖栅介质晶体管相比,引入Al2O3叠层的器件具有78.3 mV/decade的低亚阈值摆幅,在1.8 V电压下1.3 nA的低漏电流(降低约98%), 3.73 V的大滞回窗口(提升3.4倍)以及0.86 nA的低兴奋性突触后电流(降低约97%),单脉冲(0.5 V, 20 ms)功耗仅为1.7 pJ(降低约96%)。此外,研究还基于双栅EDL协同调控实现了尖峰突触功能的模拟和沟道电流的有效调制,并有效规避突触塑性模拟中高漏电导致的非正常电流尖峰/毛刺。上述结果表明,堆叠高k栅介质可以有效改善神经形态器件的漏电、功耗和性能,为进一步开发超低功耗神经形态感知和计算系统提供了新的思路。     

基于低温原位法制备Ga2O3或In2O3电子收集层的高效有机太阳电池

有机太阳电池(OSCs)中,温和的界面材料制备工艺对于拓宽材料适用范围和提高器件能量转换效率(PCE)具有重要作用.本文提出了简便易行的In₂O₃和Ga₂O₃电子收集层的制备方法,即旋涂In(acac)3和Ga(acac)3异丙醇前驱体溶液并结合低温热退火.在基于PM6:Y6的OSCs中引入In₂O₃和Ga₂O₃电子收集层,得到了性能优异的器件, PCE分别达到16.17和16.01.对比研究发现, In₂O₃的功函数WF为4.58 eV,这比WF为5.06 eV的Ga₂O₃更有利于与ITO电极形成欧姆接触,因此基于前者的器件开路电压更高.此外,电化学阻抗谱EIS的研究进一步揭示了In₂O₃和Ga₂O₃对器件内部电荷转移过程的影响及其性能差异的由来:In₂O₃的串联电阻损耗虽然较低,但Ga₂O₃的复合电阻较高,所以一定程度上提高了基于Ga₂O₃的器件的填充因子,进而补偿了其串联电阻的损失.本论文的对比研究发现, In₂O₃和Ga₂O₃都是OSCs优异的电子收集层.     

用于神经形态计算的具有可调功能的浮栅光敏突触晶体管

将记忆和处理功能整合为一个单元的突触器件在神经形态计算、软机器人和人机交互等方面具有广泛的应用潜力.然而,先前报道的大多数突触器件一旦制造出来就表现出固定的性能,这限制了它们在不同场景中的应用.在这里,我们报道了一种以钙钛矿量子点为电荷俘获层、以原子层沉积的Al₂O₃为隧穿层的浮栅光敏突触晶体管.在电或者光信号的刺激下,该器件都能展示出典型的突触行为,包括兴奋性突触后电流、双脉冲异化和动态滤波特性.进一步地,器件中高质量Al₂O₃隧穿层和高光敏的钙钛矿量子点电荷俘获层使得其突触可塑性可以在光和电信号的共同调制下实现大范围的调节.在电调制过程中施加光信号可以显著改善突触权重的变化和权值更新的非线性,而光调制下的记忆效应可以明显地受到栅极电压的调节.该器件的阵列进一步展示了对图案"0"和"1"的不同突触权重或记忆时间的学习和遗忘过程.综上,这项工作为构建复杂而稳固的人工神经网络提供了具有可调功能的突触器件.     

磷酸处理对多孔SiO2薄膜质子导电特性和双电层薄膜晶体管性能的影响

采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制备了多孔SiO₂薄膜, 系统地研究了不同浓度磷酸处理对多孔SiO₂薄膜的质子导电特性、双电层电容和以此多孔SiO₂薄膜为栅介质的铟锌氧(IZO)双电层薄膜晶体管性能的影响。结果表明: 多孔SiO₂薄膜的质子电导率和双电层电容随磷酸浓度升高而增大, 60%浓度磷酸处理后多孔SiO₂薄膜质子电导率和双电层电容分别达到1.51×10^-4 S/cm和6.33 μF/cm²。随磷酸浓度升高, 双电层薄膜晶体管的工作电压降低, 并且, 电流开关比也变大。其中60%浓度磷酸处理后器件工作电压为1.2 V, 迁移率为20 cm²/(V·s), 电流开关比为4×10⁶。这种双电层薄膜晶体管有望应用在化学和生物传感等领域。     

ZnO/In2O3纳米异质结的合成及其光催化性能的研究

通过热水解法成功制备出了形貌均一的ZnO/In₂O₃异质结光催化材料, 采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)以及透射电子显微镜(TEM)对样品的形貌及结构进行表征。结果表明: ZnO/In₂O₃异质结是由直径约200~300 nm、厚度约40~60 nm的六边形纳米片镶嵌着In₂O₃纳米小颗粒组成。对比纯ZnO、纯In₂O₃和该光催化材料对罗丹明B(RhB)的可见光降解效率, 发现ZnO/In₂O₃异质结光催化材料对RhB具有较高的光催化效率, 其原因是窄带系半导体In₂O₃能够有效地吸收可见光, 当ZnO与In₂O₃ 形成异质结时, In₂O₃能带上被可见光激发的电子会迁移到ZnO的导带上, 而光激发的空穴仍保留在In₂O₃价带, 这样有助于光生电子和空穴的分离, 降低其复合几率, 从而有效地提高了ZnO的光催化效率。     

In2O3/InNbO4复合材料的热电性能研究

In₂O₃作为一种良好的光电和气敏材料, 因高温下具有优异的热电性能在热电领域也获得广泛关注。本研究通过固相反应法结合放电等离子烧结(SPS)成功将原位自生的InNbO₄第二相引入到In₂O₃基体中, 优化了块体样品的制备工艺。同时, InNbO₄改善了样品的电输运性能, 使载流子浓度明显提高, 在1023 K时电导率最高可达1548 S·cm^-1, 高于大多数元素掺杂的样品。其中, 0.998In₂O₃/0.002InNbO₄样品的热电性能测试表明, 在1023 K时, 其功率因子可达到0.67 mW·m^-1·K^-2, 热电优值(ZT)达到最高值0.187。综上所述, 通过在In₂O₃中原位复合InNbO₄第二相可以很好地改善In₂O₃基热电陶瓷的电性能, 进而调控其高温热电性能。     

同轴异质In2O3/SnO2复合纤维的构筑及其甲醛敏感性能

两种半导体材料合成的复合材料由于电子亲合能和带隙宽度差形成了同型异质或异型异质结,利用异质结界面形成的费米能级效应可以提高界面载流子迁移率,从而有效改善气体传感器的气敏性能。本文采用自行设计开发的多层同轴静电纺丝装置,构筑了同轴异质复合纳米纤维In₂O₃/SnO₂。所构筑的同轴异质复合纤维In₂O₃/SnO₂外层较大的In₂O₃纳米颗粒附着在内层较小SnO₂纳米颗粒表面,形成中空的分级纤维结构。同轴异质复合纤维In₂O₃/SnO₂中由于存在大量的N-N同型异质结界面,电子迁移率增强,表面活性增强,吸附氧含量增加,对甲醛表现出良好的气敏性能。在250℃环境下,同轴复合纤维In₂O₃/SnO₂气敏元件对50×10^-6的甲醛响应为14.12,分别...     

氧控In2O3薄膜的光电性能

对比在控氧条件下制备态和退火态In₂O₃薄膜的微观结构和光电性能,分析两种状态中不同的氧作用机制。两种控氧行为都能够有效提高In₂O₃薄膜的晶格有序度和降低氧空位浓度,使其载流子浓度下降、迁移率提高和光学带隙变窄;等离子体制备过程中氧以高活性非平衡方式注入晶格,而退火时氧以低活性平衡态扩散的方式进入晶格;不同的氧作用机制使得退火态薄膜比制备态薄膜具有更少的结构缺陷、更高的氧空位浓度和更佳的透光导电性。     

光学设计用于全固态电致变色器件的高溅射效率三明治结构电解质

全固态电致变色器件以其光学对比度高、响应速度快以及良好的循环稳定性等特点而广泛应用于节能窗、屏幕显示、多功能储能设备等诸多领域。然而, 传统的基于单层电解质体系的全固态电致变色器件常受限于光学透过率和溅射效率的不足。本工作利用反应直流磁控溅射技术成功制备了基于LiAlO_x/Ta₂O₅/LiAlO_x(ATA)三明治结构电解质的全固态电致变色器件。通过引入ATA三明治结构电解质, 所制得的七层体系电致变色器件(ITO/NiO/LiAlO_x/Ta₂O₅/LiAlO_x/WO₃/ITO)兼具了优异的透光率和可观的溅射效率。该全固态电致变色器件取得了令人满意的着色效率(79.6 cm²/C), 更快的响应速度(着色时间1.9 s, 褪色时间1.6 s)以及数百次循环的良好稳定性。此外, ATA三明治结构电解质充分利用了Ta₂O₅优异的离子传输速率和稳定性, 并提供了足够的锂离子以满足快速变色切换的需求。因而, 通过连续直流溅射制备的基于ATA三明治结构电解质的全固态电致变色器件有望为高性能电致变色器件的量产和实际应用提供重要的指导。     

ZnO全光控忆阻器及其类突触行为

本研究基于ZnO制备了一种全光控忆阻器,短波光照射可增大器件电导,长波光则可降低电导,并且电导态可以长时间保持.因此,通过改变施加光信号的波长,可实现忆阻器电导的可逆调控.基于以上特性,该器件可以模拟突触基本功能,包括长程增强与长程抑制、光功率密度依赖可塑性、频率依赖可塑性以及学习-遗忘-再学习的经验学习行为.与电相比,光具有高带宽、低串扰、速度快等优势,并且不改变器件微结构,因此全光控忆阻器有望应用于类脑智能系统的构建.     

氧化铁忆阻器中缺陷态诱导的模拟型阻变及突触双脉冲易化特性

模拟型阻变突触特性能够为神经形态计算提供高的计算精度并避免计算过程中带来的电导卡滞、跃变以及失效等问题。模拟生物突触在刺激脉冲下的行为,能够更好地揭示电子器件的仿生特性机理并为高性能神经形态计算提供支撑。突触双脉冲易化是生物突触的重要特性,反映了在外界刺激作用下的易化和适应性过程,对揭示神经元的工作机制至关重要。为了构建突触双脉冲易化的模拟型忆阻器件,本研究通过器件的能带结构设计及氧空位缺陷态的调控,利用射频磁控溅射法制备了一种结构为Ag/FeOx/ITO的忆阻器。电学测试结果表明,该器件具有优异的渐进递增的非线性阻变特性,即模拟型阻变特性。在I-V循环扫描3000次范围内,这种器件均表现出模拟型阻变特性,可提供稳定的、可分离的16个电导状态,且在104 s内维持良好,说明这些电导状态是非易失性的,这主要归功于电子在氧空位缺陷态中的捕获与去捕获以及在势垒间隧穿行为。但是,在低电场强度情况下,捕获的热电子有可能会跃迁出浅陷阱能级,而呈现出易失性。根据这种器件的易失性和非易失性共存特性,通过调制电压脉冲宽度、幅度,器件能够表现出很好的突触双脉冲易化特性,显示出该类型器件在神经形态计算中的潜...     

SDC中间层的阳极支撑型LSGM电解质膜SOFC的制备及性能研究

采用离心沉降法及高温共烧结工艺在多孔NiO-Sm_0.2Ce_0.8O_1.9(SDC)阳极上成功地制备了SDC/LSGM (La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_3-δ)/SDC电解质薄膜. 经共烧结制备了11μmSDC/15μmLSGM/13μmSDC三层复合电解质薄膜. 电池在800℃最大输出功率密度为0.92W/cm², 但电池的开路电压0.89V低于理论电动势. 电池微结构和元素分析表明, 高温共烧结时Ni扩散到LSGM电解质薄膜中引起电子电导, 导致电池开路电压偏低. 阻抗谱测试表明, 引入SDC电解质作为隔离层后, 欧姆极化过程和电极极化过程共同影响电池的性能     

氧化石墨烯/氧化铟/两性离子丙烯酸氟化聚合物复合膜的制备及抗牛血清白蛋白性能

生物附着是水环境使用设施污损的主要原因，在材料表面形成有机物或微生物膜是生物附着的第一步，如能抑制初期有机物膜的形成则可有效抑制进一步的附着生长，从而减少生物污损对水环境设施的危害。有机物膜主要由蛋白质及多糖组成，将具有抑制多糖和蛋白质附着功能的材料应用于设施表面，可阻止污损发生。由此，本工作以GO/In₂O₃复合材料为填料、PAZFP树脂乳液为基体，制备了一种具有微/纳米表面结构和低表面能的新型有机/无机复合涂料——氧化石墨烯/氧化铟/两性离子丙烯酸氟化聚合物(GO/In₂O₃/PAZFP)复合膜，并对其抗蛋白性能进行了研究。研究结果表明，In₂O₃纳米颗粒为立方结构，粒度在20～60 nm之间，均匀地负载在GO上。GO具有较大的比表面积，为In₂O₃颗粒的加载提供了大量的活性位点，从而阻止了In₂O₃颗粒的团聚，降低了In₂O₃     

核壳结构ZIF-8@In2O3纳米棒的制备及其对NO2选择性的提升作用

为了快速准确检测到有毒有害气体NO₂,以水热法合成沸石咪唑酯骨架(zeolitic imidazolate frameworks, ZIF)-8复合In₂O₃纳米棒状复合材料(ZIF-8@In₂O₃),并加工制作成气敏传感器，以检测对NO₂的灵敏度和选择性。利用扫描电镜、透射电镜、比表面积分析技术对ZIF-8@In₂O₃的形貌和结构进行表征，测试复合材料作为传感器的气敏性能。结果表明：成功制备出具有核壳结构的ZIF-88@In₂O₃纳米棒复合材料，在最佳工作温度为220℃时，相比于纯In₂O₃对体积分数为5×10^-5的NO₂的灵敏度223,ZIF-8@In₂O₃的达到254;在三乙胺(triethylamine, TEA)作为干扰性气体的条...     

一步溶剂热法制备铋-氧化铋-溴氧化铋三元复合物及其可见光驱动催化降解亚甲基蓝

构建表面等离子体共振(SPR)、氧空位、异质结是提升半导体光催化剂催化活性的有效方式之一。本文通过改变Bi(NO₃)₃与KBr的摩尔比，采用一步溶剂热法合成了具有SPR效应和氧空位的Bi-Bi₂O₃-BiOBr三元异质结复合材料。利用XRD、电子顺磁共振(EPR)、XPS、SEM、TEM、UV-vis等手段对所得产物的晶相、元素组成和微观形貌进行表征分析，考察Bi(NO₃)₃与KBr的摩尔比对三元复合物可见光驱动光催化降解亚甲基蓝(MB)活性的影响。结果表明：Bi-Bi₂O₃-BiOBr的催化活性依赖于Bi(NO₃)₃与KBr的摩尔比，但高于纯Bi₂O₃和BiOBr。Bi(NO₃)₃与KBr摩尔比为2∶1制备的2∶1-Bi-Bi₂O₃-Bi...     

NiCo2O4纳米线/SiC复合纤维制备及其电化学性能

以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为助纺剂,采用静电纺丝结合碳热还原制备出结晶度较高的β-SiC纤维,其比表面积为92.6 m2/g,表现出双电层电容储能特征,比电容为155.7 F/g。然后,利用水热法在SiC纤维表面生长出大量直径约为15 nm的NiCo₂O₄纳米线,得到NiCo₂O₄纳米线/SiC复合纤维。测试表明,NiCo₂O₄纳米线/SiC复合纤维中镍和钴元素分别以Ni2+/Ni3+和Co2+/Co3+价态形式存在,由于NiCo₂O₄纳米线与SiC纤维的协同作用,NiCo₂O₄纳米线/SiC复合纤维比电容显著提高,并表现出双电层和赝电容并存的特征,比电容可达300.3 F/g,当功率密度为58.1 W/kg时,NiCo₂O₄纳米线/SiC复合纤维能量密度为60.1 W·h/kg。      

MOFs衍生的Sn掺杂In2O3材料的制备及氯气气敏性能

采用简单的水热法制备了Sn掺杂的有机框架化合物(MOFs),再煅烧衍生出Sn掺杂In₂O₃(Sn-In₂O₃)气敏材料。表征结果表明，材料的形貌是中空微米棒且材料的比表面积较大、Sn元素成功被掺杂，材料表面的氧空位浓度也较大。气敏测试结果表明，Sn-In₂O₃中空微米棒材料对低浓度Cl₂具有较大的灵敏度，理论最低检测限低至0.37×10^-9。通过气敏机理分析，其优良的Cl₂气敏性能主要归因于材料的中空结构、大的比表面积和丰富的氧空位，这主要来源于MOFs模板法的制备和Sn元素的掺杂。     

明胶/羧化壳聚糖栅控氧化物神经形态晶体管

模仿大脑感知信息处理方式对于仿生智能感知系统的设计具有重要意义,而采用具有生物相容性和生物可降解特性的功能材料构建环境友好型神经形态器件是突触电子学研究的重要内容。本研究采用明胶/羧化壳聚糖(GEL/C-CS)复合电解质薄膜作为栅介质制作氧化物神经形态晶体管,模仿了不同湿度下的突触响应行为,包括兴奋性突触后电流和双脉冲易化。基于不同刺激数量下的突触塑性行为,提出了一种触觉对物体识别程度的量化处理方式。进一步搭建人工神经网络,实现了对MNIST手写数字的识别,识别精度达90%以上。这种GEL/C-CS栅控神经形态器件对仿生智能感知和脑启发神经形态系统的设计具有一定的参考价值。     

In2Se3/CuSe核壳结构微纳粉的合成及其喷涂热处理制备CuInSe2薄膜

分别采用超声微波溶剂热法、常压溶剂热法及高压溶剂热法制备In₂Se₃/CuSe粉体, 研究不同方法制备In₂Se₃/CuSe粉体的物相、形貌, 并利用涂覆-快速热处理法制作薄膜太阳电池吸收层。通过XRD、Raman、FESEM和TEM对样品的物相、形貌和组成进行了表征。结果表明: 超声微波溶剂热法和常压溶剂热法得到的产物是以In₂Se₃+CuSe混合相的形式存在, 高压溶剂热法合成的In₂Se₃/CuSe粉体则呈核壳结构, (以In₂Se₃为核, CuSe为壳)。涂覆-快速热处理法制备CIS薄膜的FESEM照片结果表明, 高压溶剂热法合成的In₂Se₃/CuSe更容易获得平整致密的薄膜。将该CIS薄膜直接用于电池器件的组装, 获得的光电性能参数: V_oc为50 mV, J_sc为8 mA/cm²。