有機(jī)突觸晶體管（organic synaptic transistor, OST）具有超柔性和可降解性，可與人體無縫集成，并能夠在完成特定功能后降解，為綠色電子技術(shù)在植入式神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)、腦-機(jī)接口和可穿戴人工智能系統(tǒng)等領(lǐng)域開辟了新的應(yīng)用。人腦由大約1015個突觸組成，具有學(xué)習(xí)、記憶、識別等功能，其表面有許多溝槽和褶皺。因此，只有非常靈活、輕薄的器件才能實現(xiàn)與大腦的緊密接觸，避免機(jī)械不匹配引起的反應(yīng)性炎癥。然而，超柔性的有機(jī)突觸晶體管誰被（厚度小于1?μm）很少有報道。幾乎所有的有機(jī)突觸器件仍然建立在堅硬的無機(jī)襯底或較厚的聚合物襯底上，如硅片、玻璃片、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰亞胺等。這些襯底的厚度一般在0.1 mm以上，占整個器件的90%以上，不可避免地限制了其機(jī)械柔性和彎曲韌性。而不需要基底的自支撐器件可以有效地減小器件厚度。
目前，有機(jī)突觸晶體管的介電材料主要包括在鐵電聚合物、離子凝膠、離子液體和自然生物材料等。其中，殼聚糖、纖維素、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顯著優(yōu)勢而備受關(guān)注。以這種材料為基礎(chǔ)的電子器件可以有效地減少對環(huán)境的污染和保護(hù)不可再生資源，有助于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。更重要的是，這些天然生物材料表現(xiàn)出質(zhì)子傳導(dǎo)的能力，這使它們成為開發(fā)可降解突觸晶體管的理想候選材料。
有鑒于此，近日，東北師范大學(xué)趙曉麗副教授和湯慶鑫教授團(tuán)隊首次以天然的生物材料葡聚糖作為介電層，制備了厚度僅有309 nm（薄于所有已報道的突觸晶體管器件），重量僅0.6 g/m2的超柔性可降解有機(jī)突觸晶體管器件。器件能夠纏繞在蒲公英種子周圍而不影響它們在風(fēng)中飛行，且可以在附著在半徑為0.15 mm的毛細(xì)管上同時保持穩(wěn)定的突觸功能。溶解度試驗和草履蟲活性試驗驗證了裝置的降解性。此外，作者以葡聚糖膜為基礎(chǔ)，深入探討了中性多糖中質(zhì)子的來源和突觸晶體管的質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)制。通過對表面電位的直接觀察，揭示了相對濕度對質(zhì)子傳導(dǎo)行為的重要影響。這些發(fā)現(xiàn)為天然生物材料開發(fā)超柔性、可降解的人工突觸提供了可能性，并為突觸晶體管的機(jī)制研究提供了有意義的指導(dǎo)。該研究以題為“Ultraflexible, degradable organic synaptic transistors based on natural polysaccharides for neuromorphic applications”的論文發(fā)表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。
【首次基于葡聚糖材料的有機(jī)突觸晶體管器件】
葡聚糖材料應(yīng)用于有機(jī)突觸晶體管器件尚屬首次，其結(jié)構(gòu)如圖1a所示。葡聚糖對人體無毒，由于羥基的存在，葡聚糖具有良好的水溶性（圖1c），有利于溶液法制備?；谄暇厶遣牧系挠袡C(jī)突觸晶體管器件厚度僅有309 nm（圖1e），且能夠附著在蒲公英種子上卻不影響其飛行。其超薄的特性使得它能緊密貼敷在人的大腦上（圖1h-k）。
圖1?以葡聚糖為電介質(zhì)的有機(jī)突觸晶體管器件
【器件對生物突觸行為的模擬】
圖2b顯示了器件多次掃描的轉(zhuǎn)移特性。隨著掃描次數(shù)增加，漏電流也在增加，揭示了半導(dǎo)體溝道電導(dǎo)的變化。通過對柵極施加一系列脈沖序列，作者實現(xiàn)了突觸權(quán)重的調(diào)制（圖2c），高達(dá)3000次的突觸權(quán)重調(diào)制驗證了器件穩(wěn)定的重復(fù)性和均勻的傳導(dǎo)，主要歸因于葡聚糖介電層中存在著的移動離子。不同的脈沖幅值（圖2d）與持續(xù)時間（圖2e）對興奮性突觸后電流（excitatory postsynaptic current, EPSC）有著重要的影響，結(jié)果顯示幅值越大、持續(xù)時間越長，EPSC的保留時間就越久。此外，作者還研究了不同柵極脈沖數(shù)目對EPSC的影響（圖2f），電流下降程度隨著脈沖數(shù)目的上升而降低，這種記憶水平的衰減曲線與心理學(xué)上的遺忘行為相似。
圖2?器件對突觸行為的模擬
圖3顯示了晶體管和生物突觸之間的對應(yīng)關(guān)系。對于晶體管設(shè)備，柵極脈沖對應(yīng)突觸前刺激，而源-漏極電流類似于突觸后活動。介電層離子的遷移主要依賴于柵極電壓，其行為類似于依賴突觸前峰值的神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。具體地說，在一個正的柵極電壓（突觸前脈沖）下，離子（神經(jīng)遞質(zhì)）將向半導(dǎo)體/層介電界面移動，導(dǎo)致載流子積累，然后在DNTT導(dǎo)電溝道產(chǎn)生突觸后電流（postsynaptic current，PSC）。連續(xù)的正電壓脈沖使空穴從半導(dǎo)體通道擴(kuò)散，降低突觸重量，誘發(fā)抑制性突觸后電流（圖3a）。相反，當(dāng)柵極負(fù)電壓為1 ~ 4v時，突觸權(quán)重顯著增強(qiáng)（圖3b）。
圖3?突觸晶體管與生物突觸功能相似
【器件表現(xiàn)出十分優(yōu)異的機(jī)械柔性】
作者將器件粘附在具有不同彎曲半徑的玻璃圓筒上，測試其電學(xué)特性。轉(zhuǎn)移曲線顯示出較大的滯后，表明半導(dǎo)體溝道電導(dǎo)的變化。此外，相同的突觸性能表明器件在較大彎曲變形（彎曲半徑0.15 mm）的情況下也能保持正常的電性能。
圖4?器件的機(jī)械柔性測試
【器件的質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)理探究】
在葡聚糖的分子鏈上，氫原子與氧原子之間會產(chǎn)生氫鍵。因此，水分子與葡聚糖分子鏈之間可以建立連續(xù)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，通過高親水性的作用力進(jìn)行質(zhì)子躍遷（圖5a）。熱重測試（圖5b）表明葡聚糖薄膜中的質(zhì)子可能來源于水分子的自解離。另外，圖5c顯示相對濕度嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)移曲線中的漏極電流和磁滯。濕度較高時，磁滯較大，漏極電流較高。這是因為較高的濕度使得葡聚糖膜能夠吸附更多的水分子，導(dǎo)致質(zhì)子濃度升高。此外，EPSC峰值隨著相對濕度的增加而增加，也證明了上述結(jié)論。
圖5?器件的質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)理
為了直接觀察質(zhì)子濃度隨濕度的變化，作者利用開爾文探針力顯微鏡（Kelvin probe force microscope, KPFM）測量了不同濕度條件下葡聚糖膜的表面電位（圖6）。當(dāng)濕度從20%增加到80%時，可以看到葡聚糖薄膜的表面電位從54 mV逐漸增加到279 mV。表明了葡聚糖界面處的電荷積累量的增加。其主要原因是葡聚糖膜的含水量較高，導(dǎo)致水分子中游離質(zhì)子數(shù)增加。
圖6?葡聚糖薄膜的表面電勢變化
【器件具有良好的降解特性與生物兼容性】
最后，作者對器件的降解特性和生物兼容性進(jìn)行了展示。器件能夠在水中快速溶解消失（15 s內(nèi)，圖7）。且具有良好的生物兼容性（草履蟲存活，圖8）。
圖7?器件的可降解功能
圖8 器件的生物兼容特性
總結(jié)：作者首次研究了基于葡聚糖電介質(zhì)的超柔性可降解有機(jī)突觸晶體管器件。厚度僅有309 nm，優(yōu)于所有已報道的突觸晶體管器件。器件可以貼敷在任意形狀的物體上并保持穩(wěn)定的突觸屬性?？梢栽谒薪到猓瑳]有任何有害的副產(chǎn)品和電子垃圾，有效地避免了環(huán)境污染和回收成本。作者還揭示了水的自解離對葡聚糖膜中質(zhì)子傳導(dǎo)行為的重要影響。這項工作為開發(fā)超柔性綠色人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了一種可行的策略，為未來生態(tài)友好型和生物集成有機(jī)電子提供了更廣泛的應(yīng)用。
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