[发明专利]一种基于三维突触的人工环路模体结构及其制备方法

说明书

本发明为一种基于三维突触的人工环路模体结构及其制备方法。该结构分为上、中、下三层；底层包括：衬底，衬底上分布有第二金属氧化物掺杂纳米线；L形的第一源极和第一漏极的竖边分列第二金属氧化物掺杂纳米线的两侧；中层为离子胶栅介质层，覆盖在底层上；上层包括L形顶部源级、第一金属氧化物掺杂纳米线、L形顶部漏级；其中，顶部第一金属氧化物掺杂纳米线的投影位置与底层的第二金属氧化物掺杂纳米线呈60～90°夹角；“L型”的第二源极和第二漏极相向而置。本发明可实现突触器件的多端三维调制以及与生物神经环路中相似的相互抑制模式，对未来神经修复以及大规模类脑集成运算存在重要意义。

技术领域

本发明涉及电子器件领域，特别是人造突触电子器件及其系统化应用领域。

背景技术

单个神经元在一定程度上具有信息整合与处理的能力，但如果要完成一项精细、完整的神经任务处理，需要多个神经元通过一系列突触连接模式形成不同的功能性神经微环路模体。这类似于在传统硅基电路中，通过不同晶体管、逻辑门组成一系列复杂电路，才保证了计算机可以执行特定的功能。

在现实生活中，由于意外和疾病等导致的神经系统功能障碍可能会导致生活质量下降甚至死亡。然而由于神经细胞是高度分化的永久性细胞，原始分解能力丧失，且神经细胞周围所包绕的神经鞘细胞可分泌一种抑制因子，来抑制神经细胞的分裂能力，因此神经细胞死亡是不可再生的。这就造成目前单纯从医学角度，难以实现病损神经系统的修复重建，成为困扰康复医学的难题。

而近年来兴起的神经拟态电子学，通过制备一系列可以模拟生物突触作用的电子器件，来实现一定的神经功能，但目前研究集中于对于单个突触的模拟或人工反射弧的构建，对多神经元间的连接与相互作用机制，尚无探索。因此，通过构造不同的人工突触并将他们连接组网形成特定的人工神经环路模体，使之具备更加完整的神经功能，能够为神经修复带来了新的曙光，有望跨过病损区域，在体外实现缺失神经功能的重建与修复。

发明内容

本发明的目的为针对当前技术的不足，提出了一种基于三维突触的人工环路模体结构及其制备方法。该环路模体结构通过掺杂纳米线打印(上下两层)、离子凝胶栅介质层定向转移、将神经元电路的输入端与顶部漏级连接，将神经元的输出端与栅介质底端连接，组合成环路模体。制备方法中，将经过金属纳米颗粒改性的P型半导体聚3-己烷噻吩作为构成纳米线半导体的材料，利用其空穴导电的功能来实现载流子的传输。本发明可实现突触器件的多端三维调制以及与生物神经环路中相似的相互抑制模式，对未来神经修复以及大规模类脑集成运算存在重要意义。

本发明的技术方案具体如下：

一种基于三维突触器件的神经环路模体结构，该结构分为上、中、下三层；底层包括：衬底，衬底上分布有第二金属氧化物掺杂纳米线；L形的第一源极和第一漏极的竖边分列第二金属氧化物掺杂纳米线的两侧，底边相背、平行，并垂直于纳米线；

中层为离子胶栅介质层，覆盖在底层上；

上层包括L形顶部源级、第一金属氧化物掺杂纳米线、L形顶部漏级；其中，顶部第一金属氧化物掺杂纳米线的投影位置与底层的第二金属氧化物掺杂纳米线呈60～90°夹角；“L型”的第二源极和第二漏极相向而置，形成“口字形”，并且两条底边平行，并分别垂直于第一金属氧化物掺杂纳米线；

所述的人工神经元传出端与离子胶栅介质层相连，构成人工神经元栅极，传入端与L形顶部漏级相连；

其中，所述的纳米线半导体为掺杂有金属氧化物纳米颗粒的聚3-己烷噻吩，其直径为100nm～500nm；掺杂量为0～20％(质量变分比)，优选为0或0.05％～20％；当掺杂量为0时，意味着没有掺杂。

其中，所述的离子胶栅介质层为含有1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰)亚胺的聚(苯乙烯-b-甲基丙烯酸甲酯-b-苯乙烯)三嵌段共聚物，厚度为0.5～3mm；质量比为，1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰)亚胺：聚(苯乙烯-b-甲基丙烯酸甲酯-b-苯乙烯)三嵌段共聚物＝2～5：1；