东师 刘益春团队 AFM: 柔性共形人造有机神经突触取得进展

【背景介绍】

人工突触可以模拟人脑生物突触的学习记忆功能，在未来神经网络计算、大脑模拟、神经系统治疗等领域具有巨大的应用的价值。最早的人工突触是基于互补金属氧化物半导体（CMOS）电路的传统电子突触成功设计，但是存在着制造过程复杂、成本高和功耗大等一系列问题。最近开发的三端突触晶体管不仅具有制备简单，成本低廉和功耗低等优势，而且还进一步改进了电子突触的功能。但是绝大多数报道的突触晶体管都是基于无机材料。无机材料固有的刚性使得突触晶体管缺乏良好的柔性和生物相容性，严重限制了其在生物医学领域的应用潜力。

【成果简介】

最近，东北师范大学的刘益春教授和汤庆鑫教授（共同通讯作者）等人首次报道了一种可贴合于三维曲面的柔性共形有机突触晶体管。此晶体管是基于高延展性Au电极和低杨氏模量的有机材料制备，包括DNTT半导体，有机硅电介质和PDMS弹性支撑层。相对于无机材料，有机材料好的柔韧性以及支撑层优异的弹性使得突触晶体管可共形贴合在人类大脑、瓢虫、蚱蜢、4-8 mm半球等3D曲面上。更重要的是，在曲面上时，突触晶体管仍然保持突触功能，包括增强/抑制特性、STP、LTP以及SADP的突触可塑性行为。即使在多次剥离后再次粘附在4 mm半球表面上时，突触晶体管也可以很好地工作。我们的研究结果显示了有机材料在实现柔性、共形贴合仿生突触模拟方面的独特优势，展示了其在未来生物医疗、人体检测和智能化大脑等领域的潜在应用价值。研究成果以题为“Flexible, Conformal Organic Synaptic Transistors on Elastomer for Biomedical Applications”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

本文第一作者为王海婷博士和杨密花硕士。

【图文解读】

图一、柔/弹性有机突触晶体管
（a）突触晶体管的示意图和SEM图像，其中DNTT作为半导体、有机硅作为电介质、PDMS弹性体作为支撑层；

（b）晶体管的SEM和3D光学显微镜图像；

（c-e）随形贴合在颅神经、活瓢虫和蚱蜢上的突触晶体管照片。

图二、柔/弹性有机突触晶体管粘附在玻璃半球（r=8 mm）上的典型特性
（a）突触晶体管和典型生物突触之间的结构类比；

（b, c）共形贴合有机突触晶体管的输出和转移特性；

（d）平面和共形贴合器件的突触增强/抑制特性；

（e）共形贴合器件循环50次后的突触增强/抑制特征；

（f, g）共形贴合器件不同脉冲宽度和幅度的栅极脉冲的电流（ISD）保持曲线；

（h）共形贴合器件用不同的栅极脉冲数进行刺激后的记忆衰减曲线。

图三、贴合在r = 8 mm的玻璃半球上的柔/弹性有机突触晶体管的示意图和和尖峰刺激电压幅度依赖性行为
（a）负栅极电压-30至-50 V；

（b）正极栅极电压为10至25 V。

图四、玻璃半球表面上的柔/弹性有机突触晶体管的增强/抑制特性
（a）贴合在不同半径( 8-4 mm)的玻璃半球上；

（b）在0、200、400、800和1000次弯曲循环后，分别贴合在半径为4 mm玻璃半球上。

图五、不同电介质的DNTT晶体管的示意图和传输特性
（a）PS；

（b）PS /有机硅；

（c）有机硅/ PS。

图六、（a）有机硅和（b）PS的FTIR光谱

图七、栅极电压对晶体管的影响
（a, b）未施加和施加栅极电压的晶体管介电质极化子分布示意图；

（c）有机硅电介质的漏电流；

（d）在VSD = -10 V时，不同栅极电压扫描速率的转移曲线。

图八、KPFM测量极化有机硅电介质的时间依赖性表面电位
（a）极化过程示意性；

（b）极化后有机硅电介质表面电位分布。

【总结】

综上所述，此研究展示了低杨氏模量的有机材料在制备柔性共形贴合突触晶体管的潜力和独特优势。并且利用KPFM这一新方法直接观察到了电介质中羟基偶极子的慢极化过程，为有机晶体管突触模拟行为机制研究开辟了新的路径。

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

通讯作者简介

刘益春，教授，博士生导师。中国高教学会常务理事、高等教育管理研究会副会长，教育部高等学校中学教师培养教学指导委员会主任委员，教育部高等学校物理专业教学指导分会委员。现任国际发光会议（ICL）程委会委员，国际II-VI族化合物材料会议顾委会委员，中国科学院长春光机所发光与应用国家重点实验室学术委员会委员，中国科学院清洁能源重点实验室学术委员会委员，中国物理学会发光分会副主任，中国真空学会常务理事，中国光学学会理事，第六届教育部科学技术委员会委员及数理学部委员，吉林省物理学会副理事长，长春市物理学会理事长，《发光学报》副主编，《物理实验》副主编。国家杰出青年科学基金获得者，中国科学院百人计划，教育部跨世纪优秀人才，首届吉林省杰青、首批拔尖创新人才，全国模范教师。

汤庆鑫，教授，博士生导师，全国优秀博士学位论文、国家基金委优秀青年基金获得者， 作为主要参加人获国家自然科学二等奖。2007年于中科院化学所获得理学博士学位。先后在丹麦哥本哈根大学，美国佐治亚理工进行博士后和访学工作，2010为东北师范大学特聘教授。主要从事可穿戴柔性共形有机器件和电路的研究工作，国际上首次将传统光刻应用于有机单晶制备高性能共形有机器件，并在国际上首次将有机半导体作为敏感层实现了绝缘材料的超高灵敏探测、首次采用空气介电质实现气体的超高灵敏探测。 多项研究成果已经以第一作者在Adv. Mater.（7篇） 、J. Am. Chem. Soc. （1篇）等国际顶级学术期刊上发表。相关技术已申请国家发明专利10项，美国发明专利2项，发表SCI研究论文60余篇，他人引用近1600次。

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