有機突觸晶體管（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-機接口和可穿戴人工智能系統(tǒng)等領(lǐng)域開辟了新的應用。人腦由大約1015個突觸組成，具有學習、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，避免機械不匹配引起的反應性炎癥。然而，超柔性的有機突觸晶體管誰被（厚度小于1?μm）很少有報道。幾乎所有的有機突觸器件仍然建立在堅硬的無機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，東北師范大學趙曉麗副教授和湯慶鑫教授團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中飛行，且可以在附著在半徑為0.15 mm的毛細管上同時保持穩(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)子傳導機制。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制研究提供了有意義的指導。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突觸晶體管器件】
葡聚糖材料應用于有機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，揭示了半導體溝道電導的變化。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3000次的突觸權(quán)重調(diào)制驗證了器件穩(wěn)定的重復性和均勻的傳導，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關(guān)系。對于晶體管設備，柵極脈沖對應突觸前刺激，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)）將向半導體/層介電界面移動，導致載流子積累，然后在DNTT導電溝道產(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體通道擴散，降低突觸重量，誘發(fā)抑制性突觸后電流（圖3a）。相反，當柵極負電壓為1 ~ 4v時，突觸權(quán)重顯著增強（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，測試其電學特性。轉(zhuǎn)移曲線顯示出較大的滯后，表明半導體溝道電導的變化。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?器件的機械柔性測試
【器件的質(zhì)子傳導機理探究】
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，通過高親水性的作用力進行質(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)子傳導機理
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。可以在水中降解，沒有任何有害的副產(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電子提供了更廣泛的應用。
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