Nano Lett.：高度褶皱的全碳晶体管在神经信号检测中的应用

【引语】

2016年12月8日，Nano Lett. 网站在线发表了题为“Highly Crumpled All-Carbon Transistors for Brain Activity Recording”的文章。该文章的第一作者为来自国家纳米科学中心的杨龙，通讯作者为国家纳米科学中心的方英教授。在这篇文章中，研究人员设计和构建了一种石墨烯晶体管神经探针，这种神经探针具有丰富的压缩投影面积以及能够保持石墨烯活性面积不变，从而可以实现高灵敏度和更高的空间分辨率。

【成果简介】

神经探针技术对人类了解大脑功能具有显著的贡献且目前广泛应用于脑疾病的诊断和治疗。目前，神经探针的空间分辨能力，密度以及组织整合等方面不断得到改进。晶体管神经探针的发展可使生物电神经活性通过电容耦合调节半导体导带的电导率。石墨烯的机械性能和电导性能使其成为柔性晶体管神经探针最有吸引力的基材。然而，石墨烯晶体管探针与金属微电极一样，可检测的最小信号与活性开方表面积成反比例。为有效提高石墨烯晶体管神经探针的空间分辨率，本文中的研究人员一种高度褶皱且韧性高的全碳晶体管神经探针。这种神经探头具有丰富的压缩投影面积以及能够保持石墨烯活性面积不变，从而可以实现高灵敏度和更高的空间分辨率地检测活体大脑的神经活动。

【图文导读】

图1.全碳晶体管的起皱过程

(a)石墨烯导管与石墨烯-碳纳米管异质电极(hGC)通过化学合成的方法无缝结合形成全碳晶体管。

(b)石墨烯-碳纳米管异质电极在厚度为200 nm的PMMA基底上的SEM图。

(c)高度褶皱晶体管的SEM图。

(d)全碳晶体管的光学图。

(e)全碳晶体管随着面拉伸力增加的三维共聚焦显微镜图像。

 图2：全碳晶体管与石墨烯-金晶体管在压缩条件下的对比情况

(a)-(d) 全碳晶体管在单轴压缩条件下的光学图。

(e)-(h) 石墨烯-金晶体管在单轴压缩条件下的光学图。其中，(a)和(e)中的红色箭头指代的是石墨烯导带的边缘。

(i) 随着压缩条件的变化，不同晶体管的褶皱脊高度的对比图。

(j) 褶皱脊高度响应随着压缩应力变化的不匹配曲线，黑色为金与石墨烯之间的不匹配曲线，红色的为石墨烯-碳纳米管异质电极与石墨烯之间的不匹配曲线。

(k) 全碳晶体管(红色)和石墨烯-金晶体管(黑色)的漏源电阻随着压缩应力变化而变化。

 图3：石墨烯-金晶体管的破裂

(a) 金(i)金和石墨烯(ii)膜附有基底上(蓝色)或没有基底(红色)的最大张应变-压缩力模拟曲线，两种膜的三个变形阶段的应力分布图：(1) 单个褶皱峰脊出现；(2)一个完整分布的褶皱脊；(3) 新的褶皱脊产生。

(b) 双轴向压缩条件下，石墨烯-金晶体管的SEM图和FE拟合，(i)高度褶皱的石墨烯-金晶体管，其面积压缩率高达84%，(ii)为金电极的褶皱最高点周围出现细小裂纹的高倍率SEM图，(iii)为金膜在20%的压缩应力作用下的拉伸应变模拟分布图，(iv)褶皱金电极中长裂纹的高倍率SEM图，(v) 石墨烯导管的高倍率SEM图；石墨烯中没有存在任何裂纹。

 图4：全碳晶体管在离子溶液中的电导性能 

(a) 随着双轴压缩应力的增加，全碳晶体管的漏源电流(I)与液体触发电压(V_g)关系图，漏源偏差电压为60 mV。

(b) 导通电流（I_on，红球）和标准化跨导的孔载流子（g_m，黑球）作为面积应力的函数。

 5：高度褶皱全碳晶体管应用于记录活体大脑活动

(a) 4×4阵列全碳晶体管的示意图。

(b) 4×4阵列双轴褶皱全碳晶体管的光学图

(c) 双轴褶皱全碳晶体管阵列放置在大鼠脑左皮质表面的光学图。

(d) 通过高度褶皱且面积应力为82％的全碳晶体管实时记录轨迹，黑色箭头表示青霉素注射的时间点。

(e) 来着(d)中的时间序列数据用于归一化时频谱分析。

(f)-(h) 基础活动期，潜伏期和癫痫样活动期的放大图。

【小结】

综上所述，研究人员基于晶体管神经探针通过平面高度压缩为实现高灵敏度和显著改善空间分辨率提供了一种新方法。通过化学集成得到的无缝高度褶皱的全碳晶体管保持其结构和电导性能的完整性且空间分辨率可增加6倍。同 时，这种灵活，高度折皱的全碳晶体管可应用于脑活动的体内记录。这种自组装的方法为制备大面积、高纵横比的电子提供了一种直接和经济的思路，并且可扩展应用到其他二维材料，如过渡金属硫属化物。

文献链接：Highly Crumpled All-Carbon Transistors for Brain Activity Recording （Nano Lett. 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett. 6b03356）

 该文献汇总由材料人编辑部纳米学术组王畅供稿，材料牛编辑整理。

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