首次制备基于葡聚糖材料的超薄柔性可降解有机突触晶体管器件

有机突触晶体管(organic synaptic transistor, OST)具有超柔性和可降解性,可与人体无缝集成,并能够在完成特定功能后降解,为绿色电子技术在植入式神经形态系统、脑-机接口和可穿戴人工智能系统等领域开辟了新的应用。人脑由大约1015个突触组成,具有学习、记忆、识别等功能,其表面有许多沟槽和褶皱。因此,只有非常灵活、轻薄的器件才能实现与大脑的紧密接触,避免机械不匹配引起的反应性炎症。然而,超柔性的有机突触晶体管谁被(厚度小于1 μm)很少有报道。几乎所有的有机突触器件仍然建立在坚硬的无机衬底或较厚的聚合物衬底上,如硅片、玻璃片、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酰亚胺等。这些衬底的厚度一般在0.1 mm以上,占整个器件的90%以上,不可避免地限制了其机械柔性和弯曲韧性。而不需要基底的自支撑器件可以有效地减小器件厚度。

目前,有机突触晶体管的介电材料主要包括在铁电聚合物、离子凝胶、离子液体和自然生物材料等。其中,壳聚糖、纤维素、角蛋白等天然生物材料因其成本低、可再生、生物相容性好和生物降解性等显著优势而备受关注。以这种材料为基础的电子器件可以有效地减少对环境的污染和保护不可再生资源,有助于实现可持续发展。更重要的是,这些天然生物材料表现出质子传导的能力,这使它们成为开发可降解突触晶体管的理想候选材料。

有鉴于此,近日,东北师范大学赵晓丽副教授和汤庆鑫教授团队首次以天然的生物材料葡聚糖作为介电层,制备了厚度仅有309 nm(薄于所有已报道的突触晶体管器件),重量仅0.6 g/m2的超柔性可降解有机突触晶体管器件。器件能够缠绕在蒲公英种子周围而不影响它们在风中飞行,且可以在附着在半径为0.15 mm的毛细管上同时保持稳定的突触功能。溶解度试验和草履虫活性试验验证了装置的降解性。此外,作者以葡聚糖膜为基础,深入探讨了中性多糖中质子的来源和突触晶体管的质子传导机制。通过对表面电位的直接观察,揭示了相对湿度对质子传导行为的重要影响。这些发现为天然生物材料开发超柔性、可降解的人工突触提供了可能性,并为突触晶体管的机制研究提供了有意义的指导。该研究以题为“Ultraflexible, degradable organic synaptic transistors based on natural polysaccharides for neuromorphic applications”的论文发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。

东北师范大学AFM:首次制备基于葡聚糖材料的超薄柔性可降解有机突触晶体管器件

【首次基于葡聚糖材料的有机突触晶体管器件】

葡聚糖材料应用于有机突触晶体管器件尚属首次,其结构如图1a所示。葡聚糖对人体无毒,由于羟基的存在,葡聚糖具有良好的水溶性(图1c),有利于溶液法制备。基于葡聚糖材料的有机突触晶体管器件厚度仅有309 nm(图1e),且能够附着在蒲公英种子上却不影响其飞行。其超薄的特性使得它能紧密贴敷在人的大脑上(图1h-k)。

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图1 以葡聚糖为电介质的有机突触晶体管器件

【器件对生物突触行为的模拟】

图2b显示了器件多次扫描的转移特性。随着扫描次数增加,漏电流也在增加,揭示了半导体沟道电导的变化。通过对栅极施加一系列脉冲序列,作者实现了突触权重的调制(图2c),高达3000次的突触权重调制验证了器件稳定的重复性和均匀的传导,主要归因于葡聚糖介电层中存在着的移动离子。不同的脉冲幅值(图2d)与持续时间(图2e)对兴奋性突触后电流(excitatory postsynaptic current, EPSC)有着重要的影响,结果显示幅值越大、持续时间越长,EPSC的保留时间就越久。此外,作者还研究了不同栅极脉冲数目对EPSC的影响(图2f),电流下降程度随着脉冲数目的上升而降低,这种记忆水平的衰减曲线与心理学上的遗忘行为相似。

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图2 器件对突触行为的模拟

图3显示了晶体管和生物突触之间的对应关系。对于晶体管设备,栅极脉冲对应突触前刺激,而源-漏极电流类似于突触后活动。介电层离子的迁移主要依赖于栅极电压,其行为类似于依赖突触前峰值的神经递质的释放。具体地说,在一个正的栅极电压(突触前脉冲)下,离子(神经递质)将向半导体/层介电界面移动,导致载流子积累,然后在DNTT导电沟道产生突触后电流(postsynaptic current,PSC)。连续的正电压脉冲使空穴从半导体通道扩散,降低突触重量,诱发抑制性突触后电流(图3a)。相反,当栅极负电压为1 ~ 4v时,突触权重显著增强(图3b)。

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图3 突触晶体管与生物突触功能相似

【器件表现出十分优异的机械柔性】

作者将器件粘附在具有不同弯曲半径的玻璃圆筒上,测试其电学特性。转移曲线显示出较大的滞后,表明半导体沟道电导的变化。此外,相同的突触性能表明器件在较大弯曲变形(弯曲半径0.15 mm)的情况下也能保持正常的电性能。

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图4 器件的机械柔性测试

【器件的质子传导机理探究】

在葡聚糖的分子链上,氢原子与氧原子之间会产生氢键。因此,水分子与葡聚糖分子链之间可以建立连续的氢键网络,通过高亲水性的作用力进行质子跃迁(图5a)。热重测试(图5b)表明葡聚糖薄膜中的质子可能来源于水分子的自解离。另外,图5c显示相对湿度严重影响了转移曲线中的漏极电流和磁滞。湿度较高时,磁滞较大,漏极电流较高。这是因为较高的湿度使得葡聚糖膜能够吸附更多的水分子,导致质子浓度升高。此外,EPSC峰值随着相对湿度的增加而增加,也证明了上述结论。

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图5 器件的质子传导机理

为了直接观察质子浓度随湿度的变化,作者利用开尔文探针力显微镜(Kelvin probe force microscope, KPFM)测量了不同湿度条件下葡聚糖膜的表面电位(图6)。当湿度从20%增加到80%时,可以看到葡聚糖薄膜的表面电位从54 mV逐渐增加到279 mV。表明了葡聚糖界面处的电荷积累量的增加。其主要原因是葡聚糖膜的含水量较高,导致水分子中游离质子数增加。

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图6 葡聚糖薄膜的表面电势变化

【器件具有良好的降解特性与生物兼容性】

最后,作者对器件的降解特性和生物兼容性进行了展示。器件能够在水中快速溶解消失(15 s内,图7)。且具有良好的生物兼容性(草履虫存活,图8)。

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图7 器件的可降解功能

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图8 器件的生物兼容特性

总结:作者首次研究了基于葡聚糖电介质的超柔性可降解有机突触晶体管器件。厚度仅有309 nm,优于所有已报道的突触晶体管器件。器件可以贴敷在任意形状的物体上并保持稳定的突触属性。可以在水中降解,没有任何有害的副产品和电子垃圾,有效地避免了环境污染和回收成本。作者还揭示了水的自解离对葡聚糖膜中质子传导行为的重要影响。这项工作为开发超柔性绿色人工神经网络提供了一种可行的策略,为未来生态友好型和生物集成有机电子提供了更广泛的应用。

 

全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202006271

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