本發(fā)明屬于微納加工與器件制備，尤其涉及一種全碲基自供電人工痛覺感受器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、生物神經(jīng)系統(tǒng)中痛覺感受器、神經(jīng)元和突觸的整合與協(xié)作，使人類能夠有效感知和處理有害信息，從而規(guī)避危險(xiǎn)。受生物神經(jīng)系統(tǒng)的啟發(fā)，神經(jīng)形態(tài)電子器件包括電解液基晶體管、依賴外來離子的憶阻器、鹵化物鈣鈦礦憶阻器等。目前的痛覺感受器都是由傳感器與神經(jīng)形態(tài)電子器件串聯(lián)，需要額外的電源供電，存在系統(tǒng)功耗較高的問題。因此，開發(fā)自供電的人工感受器是有研究?jī)r(jià)值的，可以大大降低系統(tǒng)的功耗。

2、自供電器件可以包含多種，比如摩擦電發(fā)電機(jī)，壓電發(fā)電機(jī)等。二維碲材料因?yàn)榫哂写蟮膲弘娤禂?shù)，是構(gòu)建壓電器件的最佳候選者，并且碲材料具有電刺激相變的特點(diǎn)，在施加電壓或者撤去電壓時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生相變，從而產(chǎn)生阻變。因此，如何將兩者結(jié)合，構(gòu)建自供電的人工感受器系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)低功耗的神經(jīng)形態(tài)觸覺系統(tǒng)的有效途徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述感受器系統(tǒng)有源供電問題，本發(fā)明提出了一種全碲基自供電人工痛覺感受器及其制備方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

3、一種全碲基自供電人工痛覺感受器，包括串聯(lián)的自供電器件與閾值憶阻器；

4、所述自供電器件包括由上到下依次設(shè)置的上電極、絕緣層、壓電層和下電極，所述壓電層為低溫水熱合成的二維碲(te)納米片層；

5、所述閾值憶阻器包括由上到下依次設(shè)置的上電極、半導(dǎo)體功能層和下電極，所述半導(dǎo)體功能層為高溫水熱合成的二維碲(te)納米片層。

6、進(jìn)一步地，所述自供電器件中，所述上電極和下電極均為銅(cu)電極，所述絕緣層為聚二甲基硅氧烷(pdms)層。

7、進(jìn)一步地，所述閾值憶阻器中，所述上電極和下電極均為金(au)電極。

8、進(jìn)一步地，所述閾值憶阻器還包括基板，所述下電極刻蝕在所述基板上。

9、本發(fā)明的技術(shù)方案之二：

10、一種所述的全碲基自供電人工痛覺感受器的制備方法，包括以下步驟：

11、(1)在銅電極片上滴涂碲納米片溶液，烘干后得到壓電層和下電極，將聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜放到壓電層上層，并在聚二甲基硅氧烷薄膜上方覆蓋電極片，得到自供電器件；

12、(2)將基板作為襯底，光刻金電極，之后將一片碲納米片轉(zhuǎn)移到下電極中心區(qū)域，并將上電極轉(zhuǎn)移到碲納米片層上方，得到閾值憶阻器；

13、(3)將所述自供電器件和閾值憶阻器串聯(lián)后，得到所述全碲基自供電人工痛覺感受器。

14、進(jìn)一步地，步驟(1)中所述碲納米片溶液采用低溫水熱法制備，具體包括以下步驟：

15、將氨水(nh3·h2o)和乙二胺四乙酸二鈉鹽(edta-na2)溶于水得到a混合液；

16、將氫氧化鈉(naoh)、氧化碲(teo2)和十六烷基三甲基溴化銨(ctab)溶于水得b混合液；

17、將所述a混合液和b混合液混合均勻后調(diào)溶液ph值為堿性，并加入水合肼(n2h4·h2o)，密封反應(yīng)，得到碲納米片，之后溶于水得到所述碲納米片溶液。

18、更進(jìn)一步地，所述a混合液與所述b混合液的體積比為5∶4，所述a混合液中氨水、乙二胺四乙酸二鈉鹽和水的用量比為2ml∶0.15g∶25ml；

19、所述b混合液中氫氧化鈉、氧化碲、十六烷基三甲基溴化銨和水的用量比為0.08g∶0.08g∶0.4g∶20ml；

20、所述密封反應(yīng)的溫度為50℃，時(shí)間5h。

21、進(jìn)一步地，步驟(2)中所述碲納米片采用高溫水熱法制備，具體包括以下步驟：

22、將亞碲酸鈉(na2teo3)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)溶于水中，并加入氨水(nh3·h2o)和水合肼(n2h4·h2o)攪拌均勻得到混合溶液，之后密封反應(yīng)，得到所述碲納米片。

23、更進(jìn)一步地，所述混合溶液中亞碲酸鈉、聚乙烯吡咯烷酮、水、氨水和水合肼的用量比為0.05g∶4g∶16ml∶4ml∶1ml；

24、所述密封反應(yīng)的溫度為240℃，時(shí)間為36h。

25、進(jìn)一步地，步驟(1)中，所述碲納米片溶液的濃度為0.01g/ml，所述碲納米片溶液在電極片上的滴涂量為2ml/25cm2。

26、進(jìn)一步地，步驟(2)中，所述基板為sio2基板或si基板，在光刻前需進(jìn)行清洗，清洗步驟如下：

27、①將基板浸入三氯乙烯，超聲清洗，取出氮?dú)獯蹈?；②將基板浸入丙酮，超聲清洗，取出氮?dú)獯蹈?；③將基板浸入乙醇，超聲清洗，取出氮?dú)獯蹈?；④將基板浸入二次去離子水中，超聲清洗，取出氮?dú)獯蹈?。其中超聲功率?0w，超聲時(shí)間為每個(gè)步驟10min，氮?dú)獯祾?s。

28、進(jìn)一步地，步驟(2)中，所述光刻下電極包括以下步驟：

29、①將清洗好的基板放在熱盤烘烤，溫度80℃，時(shí)間3min；②在烘干的基板上旋涂光刻膠，隨后前烘處理光刻膠使其干燥，前烘溫度為120℃，時(shí)間為90s；③使用紫外無掩膜直寫光刻機(jī)(型號(hào)：mla100)進(jìn)行圖案化預(yù)處理，圖案為單電極；④浸泡顯影液，顯影得到光刻膠圖案化溝道，顯影時(shí)間為1min，隨后經(jīng)過異丙醇清洗30s，氮?dú)獯蹈桑瑫r(shí)間5s；使用真空鍍膜機(jī)熱蒸發(fā)沉積金電極；⑤使用丙酮浸泡輔以超聲處理去除光刻膠，隨后經(jīng)過異丙醇清洗30s，氮?dú)獯蹈?，時(shí)間5s，得到所述下電極。

30、進(jìn)一步地，步驟(2)中，碲納米片轉(zhuǎn)移到下電極，上電極轉(zhuǎn)移到碲納米片層上方的過程均采用熱釋放膠帶，溫度為100℃，時(shí)間為10min。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

32、(1)傳統(tǒng)的觸覺感受系統(tǒng)需要一個(gè)外部電源u，前端的器件為一個(gè)壓力傳感器，通過按壓壓力傳感器，使壓力傳感器的阻值降低，伴隨著壓力傳感器的電壓減小，因此，在這個(gè)系統(tǒng)中，閾值器件得到的電壓就會(huì)升高，使閾值器件產(chǎn)生一個(gè)輸出電流。而本發(fā)明的觸覺感受系統(tǒng)，用一個(gè)自供電感受器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓力傳感器，不需要外部電源供電，因?yàn)檎麄€(gè)電路的能耗降低了。

33、(2)本發(fā)明以低溫水熱制備的te納米片作為壓電層得到自供電器件，以高溫水熱制備的te納米片作為半導(dǎo)體功能層得到二維閾值憶阻器器件，并通過將兩種器件串聯(lián)，作為自供電的人工痛覺感受器，無外接的電源，降低了系統(tǒng)的功耗。

技術(shù)特征：

1.一種全碲基自供電人工痛覺感受器，其特征在于，包括串聯(lián)的自供電器件與閾值憶阻器；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全碲基自供電人工痛覺感受器，其特征在于，所述自供電器件中，所述上電極和下電極均為銅電極，所述絕緣層為聚二甲基硅氧烷層。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全碲基自供電人工痛覺感受器，其特征在于，所述閾值憶阻器中，所述上電極和下電極均為金電極。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全碲基自供電人工痛覺感受器，其特征在于，所述閾值憶阻器還包括基板，所述下電極刻蝕在所述基板上。

5.一種權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的全碲基自供電人工痛覺感受器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全碲基自供電人工痛覺感受器的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述碲納米片溶液采用低溫水熱法制備，具體包括以下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全碲基自供電人工痛覺感受器的制備方法，其特征在于，所述a混合液與所述b混合液的體積比為5∶4，所述a混合液中氨水、乙二胺四乙酸二鈉鹽和水的用量比為2ml∶0.15g∶25ml；

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全碲基自供電人工痛覺感受器的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述碲納米片采用高溫水熱法制備，具體包括以下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的全碲基自供電人工痛覺感受器的制備方法，其特征在于，所述混合溶液中亞碲酸鈉、聚乙烯吡咯烷酮、水、氨水和水合肼的用量比為0.05g∶4g∶16ml∶4ml∶1ml；

10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全碲基自供電人工痛覺感受器的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述碲納米片溶液的濃度為0.01g/ml，所述碲納米片溶液在電極片上的滴涂量為2ml/25cm2。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種全碲基自供電人工痛覺感受器及其制備方法，屬于微納加工與器件制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的全碲基自供電人工痛覺感受器包括串聯(lián)的自供電器件和閾值憶阻器，其中，自供電器件包括由上到下依次設(shè)置的上電極、絕緣層、壓電層和下電極，所述壓電層為低溫水熱合成的二維碲納米片層，閾值憶阻器包括由上到下依次設(shè)置的上電極、半導(dǎo)體功能層和下電極，所述半導(dǎo)體功能層為高溫水熱合成的二維碲納米片層。本發(fā)明以低溫水熱制備的Te納米片作為壓電層得到自供電器件，以高溫水熱制備的Te納米片作為半導(dǎo)體功能層得到二維閾值憶阻器器件，并通過將兩種器件串聯(lián)，作為自供電的人工痛覺感受器，無外接的電源，降低了系統(tǒng)的功耗。

技術(shù)研發(fā)人員：王中強(qiáng),陶冶,卞景垚,徐海陽,劉益春
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東北師范大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26