基于聚乙烯醇的柔性聚合物类突触器件的制备与性能研究

发布时间：2017-04-28 10:11

  本文关键词：基于聚乙烯醇的柔性聚合物类突触器件的制备与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：基于聚合物材料的有机薄膜场效应管(OTFT)已有近30年的发展历史。近年来,应用于电子皮肤领域的OTFT器件得到了学术界与产业界的共同关注。目前,电子皮肤领域绝大多数的研究工作都致力于实现与生物皮肤接近的高灵敏度传感功能。事实上,对于外部信息的识别与感知仅仅是生物皮肤应激性的最基本、最初级的表现；生物系统中,皮肤感知到的物理刺激通常会被转换为电信号,再由反射弧传导至中枢神经系统中的躯体感觉皮质,进行更为复杂的加工处理。电子皮肤当前存在的一个主要问题就是对于外部信息识别处理功能的缺失,其主要制约因素为柔性类突触电子器件的缺乏。如果对现有的电子皮肤概念加以扩展,将依赖于传感器阵列的物理传感功能与依赖于类突触器件的信息处理功能有机结合,这一多元化、多功能的广义“电子皮肤系统”在机器人、生物医药以及可穿戴设备领域将具有极为广阔的应用前景。具有自主的活动依赖可塑性以及良好的机械柔性的聚合物类突触器件将能够为“电子皮肤系统”的设计与应用打开新的思路。尽管基于有机阻变存储器的柔性信息存储设备已经有所报道,但其仍然难以提供柔性类突触器件所须具备的若干主要特征,例如,有机阻变存储器难以实现多态存储,性能稳定性不高以及在小曲率下器件性能发生退化等。本论文中,我们首次制备了基于聚乙烯醇(PVA)材料的柔性聚合物类突触器件,该器件采用与生物突触类似的两端器件结构以替代传统的场效应结构。同时,我们提出了一种关键的聚合物材料PVA,用于构建柔性类突触器件。到目前为止,见诸报道的用于有机阻变存储器件的功能材料大多数都是含有苯环或杂环结构(如咔唑基团)的芳香族聚合物,这些材料难以满足电子皮肤的生物兼容性要求。PVA安全无毒、兼具优良的生物兼容性与成膜性能,非常适合作为电子皮肤器件的功能材料。我们选择PVA材料的另一重要原因是其内部存在大量电场可控的“偶极子”,为模拟突触的活动依赖可塑性提供了可能。本研究中,我们首次在实验上直接观测到了PVA中“偶极子”在外加电场作用下的取向排列现象,证明了PVA薄膜电场调制极化效应的存在。现将本文的主要工作总结如下：1. 我们利用旋涂法制备了一系列不同制备参数的PVA薄膜,并利用傅立叶变换红外光谱、原子力显微镜等技术手段对上述薄膜的结构、成分以及表面形貌进行了分析,为在优化器件制备参数的基础上不断进行性能优化提供了条件。我们得到的最佳旋涂工艺为：PVA溶液浓度12 mg/ml,匀胶转速2000 rpm,匀胶时间40 s。2. 我们提出了一种在有机器件中实现类突触可塑性的全新机制。目前最为常见的有机阻变机制包括电荷转移、构象转换、空间电荷限制电流以及导电细丝等。PVA薄膜中电场可控的“偶极子”能够在其与电极界面处产生一定数量的极化电荷,实现对界面势垒的调制,从而能够模拟生物突触的活动依赖可塑性。这一机制对于在有机阻变存储器中实现多态存储具有重要的参考价值。3. 我们利用单个电压脉冲模式对PVA电子突触的活动依赖可塑性进行了模拟。结果表明,PVA器件的短时程可塑性通常是由数量有限、脉宽较窄的电脉冲诱导产生的,若想得到长时程可塑性,则必须增加电脉冲的数量或脉宽；以上结果体现出与生物系统一致的‘"Rehearsal"依赖性。此外,在生物系统中,突触权重变化量对于刺激信号的幅值大小、作用时间与重复频率相当敏感,对这一特性的模拟将促进仿生物突触计算功能的实现。由于电场可控“偶极子”的存在,PVA电子突触在以上方面均表现出与生物突触相一致的特性,从而有望在电子皮肤系统中提供与生物神经系统类似的信号识别与处理功能。4. 我们成功模拟了拇指、大鱼际和手腕对应的特征曲率条件下的突触可塑性,验证了PVA电子突触能够在不同曲率条件下展现出一致的“尖峰时间可塑性”。这一结果为在电子皮肤中实现触觉感知与生理信号处理等功能创造了可能。本论文为应用于电子皮肤系统的柔性人工神经网络的发展提供了新材料、新机制与新思路。
【关键词】：聚乙烯醇 柔性类突触器件 突触可塑性 电子皮肤系统
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ317;R318.08
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-38
• 1.1 电子皮肤及有机电子学概述13-16
• 1.1.1 电子皮肤的发展历史与现状13-15
• 1.1.2 有机电子学的发展历程15-16
• 1.2 几种重要的柔性有机电子器件16-22
• 1.2.1 有机场效应晶体管研究现状16-17
• 1.2.2 有机薄膜晶体管存储器研究现状17-18
• 1.2.3 有机阻变存储器研究现状18-21
• 1.2.4 有机阻变存储器常见的电阻转变机制21-22
• 1.3 忆阻器及其在模拟生物突触功能领域的应用22-27
• 1.3.1 忆阻器概述23-24
• 1.3.2 忆阻器在模拟生物突触功能领域的应用24-27
• 1.4 PVA的基本性质及应用27-29
• 1.4.1 PVA的基本物化性质及其作为OTFT栅介质层的应用27-28
• 1.4.2 选择PVA作为聚合物突触功能材料的原因28-29
• 1.5 本论文的工作意义、目的及内容29-31
• 参考文献31-38
• 第二章 实验原理与方法38-46
• 2.1 薄膜样品制备技术38-40
• 2.1.1 磁控溅射38-39
• 2.1.2 旋涂法39-40
• 2.2 器件制备流程40-42
• 2.2.1 基片处理40
• 2.2.2 底电极制备40-41
• 2.2.3 溶液配制41
• 2.2.4 薄膜制备41
• 2.2.5 上电极制备41-42
• 2.3 薄膜的基本物性表征42-44
• 2.3.1 膜厚仪42
• 2.3.2 紫外-可见光分光光度计42
• 2.3.3 原子力显微镜42-43
• 2.3.4 压电响应力显微镜43
• 2.3.5 傅立叶变换红外光谱43
• 2.3.6 扫描电子显微镜43-44
• 2.4 电学性能测试44
• 2.5 本章小结44-45
• 参考文献45-46
• 第三章 ITO电极与PVA薄膜物性表征46-55
• 3.1 ITO底电极的电导特性及材料表征46-48
• 3.1.1 ITO底电极的制备条件优化46-47
• 3.1.2 ITO底电极薄膜的物性与结构表征47-48
• 3.2 不同制备条件对PVA薄膜基本性质的影响48-52
• 3.2.1 不同溶液浓度对PVA薄膜厚度及表面形貌的影响48-50
• 3.2.2 不同匀胶转速对PVA薄膜厚度及表面形貌的影响50-51
• 3.2.3 不同匀胶时间对PVA薄膜厚度及表面形貌的影响51-52
• 3.3 PVA薄膜的结构表征52-53
• 3.3.1 傅立叶变换红外光谱测试52
• 3.3.2 紫外-可见光分光光度测试52-53
• 3.4 本章小结53-54
• 参考文献54-55
• 第四章 基于石英玻璃衬底的PVA忆阻器件的忆阻特性与机制研究55-71
• 4.1 基于石英玻璃衬底的PVA忆阻器件的设计与制备55-57
• 4.2 基于石英玻璃衬底的PVA忆阻器件基本电学特性57-58
• 4.3 PVA忆阻器件的阻态变化机制58-61
• 4.4 PVA忆阻器件的生物突触功能模拟61-68
• 4.4.1 PVA器件的LTP/LTD特性及其“Rehearsal”依赖性61-65
• 4.4.2 PVA忆阻器件的STP特性及对不同电脉冲信号的响应65-68
• 4.5 本章小结68-69
• 参考文献69-71
• 第五章 基于PET柔性衬底的PVA忆阻器件类突触行为研究71-80
• 5.1 基于柔性PET衬底的PVA忆阻器件的设计与制备71-72
• 5.2 柔性PVA忆阻器件的电学性能测试方法72-73
• 5.3 柔性PVA忆阻器件的生物突触功能模拟及应用73-78
• 5.3.1 柔性PVA忆阻器件对于不同电脉冲信号的响应74-76
• 5.3.2 柔性PVA忆阻器件的STDP函数模拟及应用76-78
• 5.4 本章小结78-79
• 参考文献79-80
• 第六章 结论与展望80-83
• 6.1 结论80-81
• 6.2 今后工作的展望81-83
• 硕士期间发表的学术论文与研究成果83-84
• 致谢84-85

【共引文献】

中国博士学位论文全文数据库 前4条

1 孙会彬;磷光过渡金属配合物的光物理性质调控与应用研究[D];南京邮电大学;2013年

2 殷成蓉;位阻功能化的π-堆积聚合物半导体材料的设计、合成及其性能研究[D];南京邮电大学;2013年

3 安众福;三嗪有机光电功能材料的不对称分子结构设计与应用[D];南京邮电大学;2014年

4 布宁斌;大面积微纳结构力控电纺丝直写工艺与应用[D];华中科技大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 郭玉秀;低电压操作的柔性有机薄膜晶体管（OTFTs）的研究[D];东北农业大学;2014年

2 石弘颖;高效、色稳的柔性顶发射白光有机发光二极管[D];南京邮电大学;2014年

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本文编号：332619