東師 劉益春團隊 AFM: 柔性共形人造有機神經突觸取得進展

【背景介紹】

人工突觸可以模擬人腦生物突觸的學習記憶功能，在未來神經網絡計算、大腦模擬、神經系統治療等領域具有巨大的應用的價值。最早的人工突觸是基于互補金屬氧化物半導體（CMOS）電路的傳統電子突觸成功設計，但是存在著制造過程復雜、成本高和功耗大等一系列問題。最近開發的三端突觸晶體管不僅具有制備簡單，成本低廉和功耗低等優勢，而且還進一步改進了電子突觸的功能。但是絕大多數報道的突觸晶體管都是基于無機材料。無機材料固有的剛性使得突觸晶體管缺乏良好的柔性和生物相容性，嚴重限制了其在生物醫學領域的應用潛力。

【成果簡介】

最近，東北師范大學的劉益春教授和湯慶鑫教授（共同通訊作者）等人首次報道了一種可貼合于三維曲面的柔性共形有機突觸晶體管。此晶體管是基于高延展性Au電極和低楊氏模量的有機材料制備，包括DNTT半導體，有機硅電介質和PDMS彈性支撐層。相對于無機材料，有機材料好的柔韌性以及支撐層優異的彈性使得突觸晶體管可共形貼合在人類大腦、瓢蟲、蚱蜢、4-8 mm半球等3D曲面上。更重要的是，在曲面上時，突觸晶體管仍然保持突觸功能，包括增強/抑制特性、STP、LTP以及SADP的突觸可塑性行為。即使在多次剝離后再次粘附在4 mm半球表面上時，突觸晶體管也可以很好地工作。我們的研究結果顯示了有機材料在實現柔性、共形貼合仿生突觸模擬方面的獨特優勢，展示了其在未來生物醫療、人體檢測和智能化大腦等領域的潛在應用價值。研究成果以題為“Flexible, Conformal Organic Synaptic Transistors on Elastomer for Biomedical Applications”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

本文第一作者為王海婷博士和楊密花碩士。

【圖文解讀】

圖一、柔/彈性有機突觸晶體管
（a）突觸晶體管的示意圖和SEM圖像，其中DNTT作為半導體、有機硅作為電介質、PDMS彈性體作為支撐層；

（b）晶體管的SEM和3D光學顯微鏡圖像；

（c-e）隨形貼合在顱神經、活瓢蟲和蚱蜢上的突觸晶體管照片。

圖二、柔/彈性有機突觸晶體管粘附在玻璃半球（r=8 mm）上的典型特性
（a）突觸晶體管和典型生物突觸之間的結構類比；

（b, c）共形貼合有機突觸晶體管的輸出和轉移特性；

（d）平面和共形貼合器件的突觸增強/抑制特性；

（e）共形貼合器件循環50次后的突觸增強/抑制特征；

（f, g）共形貼合器件不同脈沖寬度和幅度的柵極脈沖的電流（ISD）保持曲線；

（h）共形貼合器件用不同的柵極脈沖數進行刺激后的記憶衰減曲線。

圖三、貼合在r = 8 mm的玻璃半球上的柔/彈性有機突觸晶體管的示意圖和和尖峰刺激電壓幅度依賴性行為
（a）負柵極電壓-30至-50 V；

（b）正極柵極電壓為10至25 V。

圖四、玻璃半球表面上的柔/彈性有機突觸晶體管的增強/抑制特性
（a）貼合在不同半徑( 8-4 mm)的玻璃半球上；

（b）在0、200、400、800和1000次彎曲循環后，分別貼合在半徑為4 mm玻璃半球上。

圖五、不同電介質的DNTT晶體管的示意圖和傳輸特性
（a）PS；

（b）PS /有機硅；

（c）有機硅/ PS。

圖六、（a）有機硅和（b）PS的FTIR光譜

圖七、柵極電壓對晶體管的影響
（a, b）未施加和施加柵極電壓的晶體管介電質極化子分布示意圖；

（c）有機硅電介質的漏電流；

（d）在VSD = -10 V時，不同柵極電壓掃描速率的轉移曲線。

圖八、KPFM測量極化有機硅電介質的時間依賴性表面電位
（a）極化過程示意性；

（b）極化后有機硅電介質表面電位分布。

【總結】

綜上所述，此研究展示了低楊氏模量的有機材料在制備柔性共形貼合突觸晶體管的潛力和獨特優勢。并且利用KPFM這一新方法直接觀察到了電介質中羥基偶極子的慢極化過程，為有機晶體管突觸模擬行為機制研究開辟了新的路徑。

文獻鏈接：Flexible, Conformal Organic Synaptic Transistors on Elastomer for Biomedical Applications（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201901107）

通訊作者簡介

劉益春，教授，博士生導師。中國高教學會常務理事、高等教育管理研究會副會長，教育部高等學校中學教師培養教學指導委員會主任委員，教育部高等學校物理專業教學指導分會委員。現任國際發光會議（ICL）程委會委員，國際II-VI族化合物材料會議顧委會委員，中國科學院長春光機所發光與應用國家重點實驗室學術委員會委員，中國科學院清潔能源重點實驗室學術委員會委員，中國物理學會發光分會副主任，中國真空學會常務理事，中國光學學會理事，第六屆教育部科學技術委員會委員及數理學部委員，吉林省物理學會副理事長，長春市物理學會理事長，《發光學報》副主編，《物理實驗》副主編。國家杰出青年科學基金獲得者，中國科學院百人計劃，教育部跨世紀優秀人才，首屆吉林省杰青、首批拔尖創新人才，全國模范教師。

湯慶鑫，教授，博士生導師，全國優秀博士學位論文、國家基金委優秀青年基金獲得者， 作為主要參加人獲國家自然科學二等獎。2007年于中科院化學所獲得理學博士學位。先后在丹麥哥本哈根大學，美國佐治亞理工進行博士后和訪學工作，2010為東北師范大學特聘教授。主要從事可穿戴柔性共形有機器件和電路的研究工作，國際上首次將傳統光刻應用于有機單晶制備高性能共形有機器件，并在國際上首次將有機半導體作為敏感層實現了絕緣材料的超高靈敏探測、首次采用空氣介電質實現氣體的超高靈敏探測。 多項研究成果已經以第一作者在Adv. Mater.（7篇） 、J. Am. Chem. Soc. （1篇）等國際頂級學術期刊上發表。相關技術已申請國家發明專利10項，美國發明專利2項，發表SCI研究論文60余篇，他人引用近1600次。

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