本发明属于微纳电子，具体涉及一种基于离子浓差的纳流忆阻器和人工离子突触器件及应用。
背景技术：
1、自1971年leon o.chua教授在加州大学伯克利分校首次提出忆阻器概念以来，这种具有记忆功能的非线性电阻元件因其能够建立电压与电流之间的非线性迟滞关系，而被视为仿生类脑计算和神经形态功能模拟的理想元件。2008年，惠普公司的研究团队开发出首个实用忆阻器，这一基于金属/氧化物/金属复合结构的器件，通过控制固态材料中的电子或离子迁移来实现数据存储与处理，标志着忆阻器从理论向实际应用的重要转变。尽管固态忆阻器在模拟神经形态功能方面取得进展，但其在模拟生物突触特性、响应环境刺激及与体内化学环境兼容性和离子通道模拟方面面临挑战。因此，开发更接近人脑工作机制的离子忆阻器件，以模拟脑的计算模式，成为硬件实现类脑计算功能的关键。
2、基于纳流孔道的忆阻器通过调控离子在纳米孔道中的传输来模拟突触可塑性，展现出与生物离子传导过程的高度兼容性。目前的研究已通过不对称纳米孔道设计、2d埃级狭缝构建及纳米孔道形变等方法实现了对突触特性的部分模拟，但同时模拟兴奋性与抑制性突触可塑性仍难以实现。然而，在生物神经信号传递中，需要兴奋与抑制性突触协同作用实现对输入信号的精确调节。因此，实现兴奋性突触与抑制性突触在同一个人工离子突触器件中的模拟是仿生纳流孔道忆阻器研究的核心挑战，实现这一目标不仅是对人脑复杂生理过程仿生的基础，也是纳流孔道忆阻器研究发展的关键一步。
技术实现思路
1、本发明针对现有技术存在的不足，提供一种基于离子浓差的纳流忆阻器和人工离子突触器件及应用。
2、为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
3、一种基于离子浓差的纳流忆阻器，包括锥形纳米孔道，所述锥形纳米孔道具有尖端开口和底端开口，底端开口的口径大于尖端开口；所述锥形纳米孔道的内部环境中存在第一电解质溶液，与尖端开口导通的外部环境中存在第二电解质溶液，第一电解质溶液和第二电解质溶液具有离子浓度差异并在外加电场的作用下产生忆阻效应；通过调控第一电解质溶液和第二电解质溶液的离子浓度差异大小实现忆阻效应强度的改变或方向的反转。
4、可选的，所述尖端开口的半径小于200nm，所述底端开口的半径小于2000nm。
5、优选地，所述纳米孔道尖端半径小于150nm，所述纳米孔道底端半径为500～1000nm。所述纳米孔道尖端到底端的半径属于锥形方式过渡，逐渐增大。
6、可选的，形成所述锥形纳米孔道的基材包括无机材料或有机高分子材料；所述无机材料包括玻璃、硅材料、氧化铝、碳纳米管或石墨烯中的至少一种；所述有机高分子材料包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚吡咯或聚苯胺中的至少一种。
7、可选的，所述第一电解质溶液和第二电解质溶液的浓度彼此独立的选自0.005mm～1m。可选的，所述第一电解质溶液和第二电解质溶液分别包括一价金属盐溶液、二价金属盐溶液或三价金属盐溶液中的至少一种，还可以是各种有机物溶液或有机无机混合物溶液，有机物溶液例如带离子的氨基酸溶液。第一电解质溶液和第二电解质溶液可以是相同物质或不同物质。
8、可选的，所述锥形纳米孔道的内壁还设有用于进行表面改性的修饰层。
9、可选的，所述修饰层主要影响锥形纳米孔道内表面亲水疏水性质，内表面带电量、内表面电荷密度，以及修饰分子与电解质溶液中离子的相互作用大小等。其中，调控所述锥形纳米孔道内表面的电荷密度，可通过表面修饰响应性的分子，或改变电解质溶液的ph等外界环境条件。依据表面修饰分子的种类不同以及外部环境条件的变化，纳米孔道内表面电荷密度发生变化，可以带有正电荷、负电荷或不带电荷。
10、可选的，所述修饰层的物质包括但不限于有机分子，官能团、聚合物等，例如可以是单宁酸分子。在锥形纳米孔道内表面修饰不同物质的实施方式，包括但不限于化学键合，气相沉积，溶液法，等离子接枝等。
11、可选的，还包括用于外加电场的工作电极和辅助电极，所述工作电极与所述第一电解质溶液接触，所述辅助电极与所述第二电解质溶液接触。所述工作电压例如施加电压脉冲刺激。
12、可选的，所述锥形纳米孔道的数量为1个或多个。
13、一种人工离子突触器件，包括上述的基于离子浓差的纳流忆阻器，通过调控第一电解质溶液和第二电解质溶液的离子浓度差异大小实现兴奋性突触、抑制性突触的模拟或转换。
14、可选的，使所述第一电解质溶液的浓度小于所述第二电解质溶液的浓度以模拟兴奋性突触；使所述第一电解质溶液的浓度大于所述第二电解质溶液的浓度以模拟抑制性突触。
15、一种具有脑机接口、类脑计算或神经形态功能的芯片，包括若干上述的人工离子突触器件，若干所述人工离子突触器件彼此独立调控并组合形成阵列。
16、本发明中，当锥形纳米孔道中电解质浓度小于或大于外界环境的电解质浓度时，纳米孔道尖端离子受到浓差极化的作用力，同时在受到外加电场的作用下，离子在纳米孔道内定向迁移，而尖端区域与外界环境之间存在的浓差极化作用力，会使离子不易或者更易移出纳米孔道而导致纳米孔道内部离子的富集或耗散，导致忆阻效应的产生，实现兴奋性或抑制性的类突触性质。当纳米孔道内的电解质浓度小于孔道外部环境中的电解质浓度时，增大离子浓度的差异，可以放大忆阻效应模拟兴奋性突触；相反，当纳米孔道内的电解质浓度大于孔道外部环境中的电解质浓度时，增大离子浓度的差异，可以使忆阻效应方向发生反转用于模拟抑制性突触。通过连续调节所述纳米孔道内外电解质溶液浓度的差异，产生不同的忆阻效应能够实现兴奋性突触的模拟并模拟兴奋性突触与抑制性突触的之间的转化。
17、基于离子浓差纳流忆阻器的人工离子突触器件表现出的神经突触可塑性功能，包括但不限于，兴奋性神经突触可塑性、抑制性神经突触可塑性、短时程可塑性(stp)和长时程可塑性(ltp)，其中短时程可塑性包括双脉冲抑制(ppd)、双脉冲易化(ppf)、脉冲速率依赖可塑性(srdp)、脉冲时间依赖可塑性(stdp)、经验学习、联想性学习、非联想性学习、赫布学习等。
18、本发明的有益效果为：
19、(1)通过调控纳米孔道内部与孔道外部电解质浓度之间的差异实现对于忆阻效应强弱的调控和方向的反转，实现对兴奋性与抑制性突触的模拟，且对于纳米孔道电解质浓度的调控具有可控灵活便捷的特点。
20、(2)通过纳米孔道离子的传导实现富集与耗散而使电导发生改变，实现不同类型的忆阻效应，且以离子为信号载体的纳流忆阻器，相较于以电子为信号载体的电子忆阻器，具有不受外界磁场干扰的优势。
21、(3)由于纳米孔道对生物离子通道具有独特的仿生特性，工作环境为溶液环境，与神经系统及大脑的工作方式更为类似，生物相容性好，在神经拟态器件、脑机接口、类脑智能方面具有巨大的潜力。
22、(4)可以通过构建不同电解质溶液的浓度差实现不同强弱或方向的忆阻效应，相互组合成阵列具有很高的设计灵活度，在实现复杂神经网络功能中具有巨大潜力。
1.一种基于离子浓差的纳流忆阻器，其特征在于：包括锥形纳米孔道，所述锥形纳米孔道具有尖端开口和底端开口，底端开口的口径大于尖端开口；所述锥形纳米孔道的内部环境中存在第一电解质溶液，与尖端开口导通的外部环境中存在第二电解质溶液，第一电解质溶液和第二电解质溶液具有离子浓度差异并在外加电场的作用下产生忆阻效应；通过调控第一电解质溶液和第二电解质溶液的离子浓度差异大小实现忆阻效应强度的改变或方向的反转。
2.根据权利要求1所述的基于离子浓差的纳流忆阻器，其特征在于：所述尖端开口的半径小于200nm，所述底端开口的半径小于2000nm。
3.根据权利要求1所述的基于离子浓差的纳流忆阻器，其特征在于：形成所述锥形纳米孔道的基材包括无机材料或有机高分子材料；所述无机材料包括玻璃、硅材料、氧化铝、碳纳米管或石墨烯中的至少一种；所述有机高分子材料包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚吡咯或聚苯胺中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的基于离子浓差的纳流忆阻器，其特征在于：所述第一电解质溶液和第二电解质溶液的浓度彼此独立的选自0.005mm～1m。
5.根据权利要求1所述的基于离子浓差的纳流忆阻器，其特征在于：所述锥形纳米孔道的内壁还设有用于进行表面改性的修饰层。
6.根据权利要求1所述的基于离子浓差的纳流忆阻器，其特征在于：还包括用于外加电场的工作电极和辅助电极，所述工作电极与所述第一电解质溶液接触，所述辅助电极与所述第二电解质溶液接触。
7.根据权利要求1所述的基于离子浓差的纳流忆阻器，其特征在于：所述锥形纳米孔道的数量为1个或多个。
8.一种人工离子突触器件，其特征在于：包括权利要求1～7任一项所述的基于离子浓差的纳流忆阻器，通过调控第一电解质溶液和第二电解质溶液的离子浓度差异大小实现兴奋性突触、抑制性突触的模拟或转换。
9.根据权利要求8所述的人工离子突触器件，其特征在于：使所述第一电解质溶液的浓度小于所述第二电解质溶液的浓度以模拟兴奋性突触；使所述第一电解质溶液的浓度大于所述第二电解质溶液的浓度以模拟抑制性突触。
10.一种具有脑机接口、类脑计算或神经形态功能的芯片，其特征在于：包括若干权利要求9所述的人工离子突触器件，若干所述人工离子突触器件彼此独立调控并组合形成阵列。
