一種基于MoS2和GaSe異質結光電類突觸器件的制備與研究

彭皓

摘 要：信息時代的來臨，使得在人工智能、大數據等領域急需更高性能的計算系統，而傳統的馮·諾依曼體系架構在信息處理和存儲方面存在缺陷。研究者把目光轉向了神經擬態計算，即通過模擬自然界中最高效的計算系統—人腦來極大地提升計算機的計算效率并實現智能化。而要實現神經擬態計算這一偉大構想，首要目標便是制備出能在結構以及功能上模擬生物突觸的新型器件—即類突觸器件。類突觸器件已經取得一定發展，但是仍面臨帶寬不足以及信號串擾等問題。而通過引入光學信號，光電類突觸器件可以有效解決以上問題。MoS2和GaSe等作為光電性能優異的二維半導體材料，一直以來被廣泛應用于光電探測領域。本文通過制備MoS2/GaSe異質結并過施加脈沖激光信號，使器件成功模擬生物突觸行為，對神經擬態計算的發展具有重要推動作用。

關鍵詞：異質結;突觸;光電響應

摩爾定律是由英特爾的聯合創始人戈登·摩爾在1965年提出的，他認為“每過18個月，單位面積的芯片上面集成的晶體管數量將會增加一倍”。然而由于面臨傳統結構的硅基晶體管器件物理尺寸即將到達物理極限，加上熱效應以及量子效應的限制，縮小器件尺寸換取高集成密度的發展路線受阻，導致了摩爾定律失效。與此同時，目前的計算機采用的是馮·諾依曼架構，其計算中心（CPU）和存儲中心（Memory）相互分離，其中數據和指令放在存儲中心里，這可以極大地提升計算機的泛用性;數據的計算在計算中心進行;數據和指令的反復傳輸則在總線（BUS）上進行。然而當傳輸的數據量很大時，數據與指令在計算中心與存儲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在傳輸時產生可觀的能耗，從而限制整個計算機系統的效率，這個問題被稱為馮·諾依曼瓶頸。目前計算機擅長處理的是具有明確邊界條件、指定輸入的特定問題，在這種問題上其處理速度以及計算結果精度方面明顯遠高于人腦。然而現實生活中的問題大多輸入輸出條件都不確定，并且實時性較強，例如在圖像識別、邏輯推演、自我學習以及預測方面，傳統計算機就會顯得非常吃力。另一方面基于傳統的互補金屬氧化物半導體（CMOS）器件的人工大腦計算機芯片卻進展緩慢。而類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異質結，利用MoS2/GaSe對于光的高響應幅度、寬響應帶寬以及超快響應速度，制備出能夠模擬生物突觸行為的晶體管型類突觸器件。器件可以對光刺激信號做出響應，通過研究其光電性能并且探究其作為神經仿生器件的應用前景，對人工神經突觸電子領域的發展空間進行了拓展。

1 器件制備與表征

基底的清洗：將實驗室購買的ITO導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的水槽內超聲清洗10分鐘。超聲清洗完成后用氮氣槍吹干，置于熱臺上100℃持續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，旋涂參數為1000轉/分鐘10s，然后3000轉/分鐘30s;旋涂完成后，置于熱臺100℃1分鐘以烘干固膠;烘干后使用無掩模激光直寫光刻機進行圖形化光刻;光刻完成后將ITO取出，置于顯影液中50s，然后在去離子水內浸泡1分鐘;顯影完成后取出樣品，置于熱臺100℃10分鐘以烘干并固膠，至此整個光刻完成。

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。

機械剝離得到的MoS2或GaSe尺寸通常在100μm以下，要成功構建出MoS2/GaSe異質結，必須要在精準的位移下實現兩種材料的堆疊?；诖?，實驗搭建了一個微位移轉移操作臺，該操作臺由超景深顯微鏡、顯示器以及微位移臺組成，其中具有最大1000倍放大倍數的超景深顯微鏡，以及與其相連的顯示器用于實時觀測二維材料的位置、尺寸等。在具有XYZ方向上1μm位移精度的微位移臺操作下，實現MoS2和GaSe轉移到基底電極以及精準堆疊形成范德華爾斯異質結。

最終制備的器件結構圖以及光鏡下實物圖如圖1（a）（b）所示。

在成功完成了異質結堆疊以及器件制備后，隨后對于MoS2/GaSe組成的異質結進行了原子力顯微鏡表征以及拉曼光譜表征，其結果如圖2所示。其中如圖1（c）所示為MoS2/GaSe堆疊區域的拉曼光譜，其中MoS2兩個明顯的特征振動峰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明顯的特征振動峰A11g，E2g和A21g，分別位于大約135cm-1，220cm-1和310cm-1處。而MoS2的兩個特征峰以及GaSe的三個特征峰均同時存在，說明異質結堆疊成功。如圖1（d）所示為異質結區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為平整光滑，無氣泡，無雜質，無明顯斷裂。同時，經過原子力顯微鏡的測量，異質結區域厚度約為20nm，這也與拉曼光譜表征相對應，表明本章所制備的MoS2/GaSe異質結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度，更有利于制備低功耗、高靈敏度的光電類突觸器件。

2 器件對生物突觸功能的模擬

為了模擬生物突觸功能，通過函數發生器將脈沖電壓施加到激光器上，產生脈沖激光信號，用于模擬突觸前脈沖;通過探針臺、Keithley-2400以及示波器，檢測到光生電流產生，用于模擬突觸后電流（EPSC）。進一步地通過施加兩個相同的激光脈沖，得到如圖2的結果。當兩個脈沖間隔時間較小時，很明顯第二個脈沖產生的EPSC大于第一個脈沖所觸發的，如圖2（a）所示，類似于生物突觸系統中γ-氨基酸在低鈣環境下對誘導生物神經系統的促進作用。并且隨著兩個脈沖的間隔時間增加，這種增益逐漸減小。我們定義了兩個脈沖所觸發的EPSC幅值之差與第一個EPSC幅值的比值為雙脈沖易化系數（PPF Index），由圖2（b）可以看出，PPF系數隨間隔時間增加逐漸減小直至0，代表當重復訓練的間隔較大時，器件的記憶學習能力減弱。這表明器件成功實現了對生物突觸雙脈沖易化的模擬。

3 結語

我們首先采用機械剝離得到MoS2和GaSe的少層薄片，利用光刻和溶液刻蝕得到微米級別的ITO叉指電極，然后在實驗室自主搭建的微位移臺操作下實現MoS2和GaSe在ITO電極上的精準堆疊形成異質結，以此制備出以MoS2/GaSe范德華異質結為基礎的晶體管結構光電類突觸器件，并且實現了對生物突觸PPF的模擬，顯現了二維材料異質結光電類突觸器件在神經擬態計算領域的巨大潛在應用價值，拓寬了類突觸器件的材料和結構范圍。

參考文獻：

[1]Kuzum D，Yu S，Wong HS.Synaptic electronics：materials，devices and applications[J].Nanotechnology，2013，24（38）：382001.

[2]Mak，Kin Fai，Lee，Changgu，Hone，James，et al.Atomically thin MoS2：A new direct-gap semiconductor[J].Physical Review Letters，2010，105（13）：136805.

[3]Kaneko Y，Nishitani Y，Ueda M.Ferroelectric Artificial Synapses for Recognition of a Multishaded Image[J].Electron Devices，IEEE Transactions on，2014，61（8）：2827-2833.