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东北师范大学汤庆鑫教授和赵晓丽副教授团队《Adv. Funct. Mater.》:基于葡聚糖的超柔性可降解有机突触晶体管
2020-09-23  来源:高分子科技

  有机突触晶体管(OSTs)结合其本征机械柔韧性和并发接收/读取信息的优势,在未来植入式神经形态系统、可穿戴人工智能和脑机接口等领域具有巨大的应用价值。然而,几乎所有的器件仍构筑在刚性无机衬底或者厚的聚合物衬底上,这不可避免地限制了器件的机械柔韧性,甚至一些不可分解的衬底还会造成电子垃圾。因此,开发基于可降解电介质层的自支撑器件使有机突触晶体管兼具超柔性和可降解性具有重要意义。


  针对这一问题,东北师范大学汤庆鑫教授和赵晓丽副教授团队首次利用天然材料葡聚糖用作电介质层,以实现超柔可降解的有机突触晶体管。葡聚糖作为一种可再生天然生物材料,具有以下独特优势:

(1)提取方法简便,高效。

(2)对人体完全无毒,甚至可以作为营养物质为生物体提供能量。

(3)具有优异的水溶性,有助于通过简单的旋涂工艺制造大面积、均匀薄膜。


  基于葡聚糖介电质层制备出的突触晶体管器件厚度仅为309 nm,重量仅为0.6 g m-2。它能够像柔软的薄纱一样紧紧缠绕在蒲公英种子上而不会影响其在风中飞翔。并且在表面有许多不规则的褶皱和沟壑的人脑模型上,此超柔性超薄设备可以实现无缝粘附,而没有任何缝隙。这些结果表明,超柔性突触晶体管在未来的可植入电子产品、 可穿戴设备和人工智能应用中具有巨大优势。



  此设备能够完成一系列基本的模拟突触功能,比如短期可塑性(STP)、长期可塑性(LTP),以及突触权重在多达3000次的脉冲调制下的增强与抑制。此外,作者还研究了不同栅极脉冲的宽度、幅度以及数目对突触后电流的影响。值得注意的是,此超柔性器件在弯曲表面上也能够保持稳定的突触功能。所有结果表明,这种基于葡聚糖的超柔晶体管具有模拟突触行为的能力,可以进一步开发以构建“绿色”和超柔性可贴合的人工神经网络。



  基于葡聚糖膜,作者研究了中性多糖中的质子传导,并进一步揭示了质子的来源和相对湿度的显着影响。热重(TGA)测试有力地证实了葡聚糖膜中水的存在。不同湿度下的突触晶体管的转移曲线和单脉冲下的突触后电流变化证实了质子浓度随着水分含量的增加而增加,并且进一步影响晶体管的突触行为。最终结果证实,质子可以由水分子产生,然后沿着氢键网络迁移,并且在半导体/绝缘层界面处形成双电层调制半导体通道电导。



  在突触晶体管中,可生物降解的葡聚糖电介质层具有良好的水溶性。因此,完成相应功能后,设备可以在水环境中消失而没有任何有毒副产物。最终,葡聚糖可被微生物降解并返回到生态系统,符合当下“可持续发展”理念。这些结果表明,他们基于葡聚糖的可降解突触晶体管可以有效减少环境污染,避免废弃电子设备的回收成本,这有利于环保电子的发展。



  该论文的第一作者为东北师范大学物理学院硕士生杨雅涵,通讯作者为汤庆鑫教授赵晓丽副教授,以“Ultraflexible, degradable organic synaptic transistors based on natural polysaccharides for neuromorphic applications”为题发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。


  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202006271

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