基于柔性垂直光柵晶體管構(gòu)筑“可視”痛覺(jué)神經(jīng)元

人類可以憑借強(qiáng)大的智能視覺(jué)系統(tǒng)，在低能耗的條件下清晰有效地感知周圍環(huán)境。因此，基于新器件來(lái)構(gòu)建一種高效的智能視覺(jué)系統(tǒng)是人類夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。然而，當(dāng)前的人工視覺(jué)傳感裝置仍然還需要進(jìn)一步整合智能感知能力。

痛覺(jué)感受器作為保護(hù)人體的關(guān)鍵感知神經(jīng)元，其在人體仿生傳感裝置中的應(yīng)用尚需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。有鑒于此，為了實(shí)現(xiàn)真正多功能的視覺(jué)整合，開(kāi)發(fā)一種能夠?qū)?a target="_blank">光電信號(hào)完美轉(zhuǎn)換為視覺(jué)疼痛信號(hào)的簡(jiǎn)易器件具有重要意義。

近日，中南大學(xué)蔣杰副教授與華東師范大學(xué)田博博研究員、南京大學(xué)萬(wàn)青教授合作提出了一種基于柔性垂直超短溝道晶體管的“可視”痛覺(jué)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了光電混合感知的“可視”痛覺(jué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿生。

相關(guān)工作以“Flexible Vertical Photogating Transistor Network with an Ultrashort Channel for In-Sensor Visual Nociceptor”為題，于2021年6月在線發(fā)表于Advanced Functional Materials雜志上。

受到生物視覺(jué)痛感受器保護(hù)系統(tǒng)的啟發(fā)，在本研究中，基于柔性垂直多光柵調(diào)控的氧化物晶體管，成功實(shí)現(xiàn)了一種具有疼痛感知能力的人工視網(wǎng)膜系統(tǒng)。器件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及生物視覺(jué)智能傳感的示意圖。

研究人員對(duì)構(gòu)建的柔性垂直氧化物晶體管進(jìn)行了一系列深入表征。發(fā)現(xiàn)在富氧真空濺射環(huán)境制備In-Sn-O （ITO）薄膜可以有效降低氧空位，使ITO的導(dǎo)電能力變?nèi)?。研究人員對(duì)通氧后ITO 原子晶格、材料形貌進(jìn)行了表界面分析，同時(shí)也對(duì)器件做了相應(yīng)的柔性測(cè)試。

采用海藻酸鈉（SA）生物材料可以同時(shí)作為柔性自支撐基底和離子耦合柵介質(zhì)材料，使其表現(xiàn)出了優(yōu)異的器件性能。

該器件不僅能對(duì)光信息有很好的感知和存儲(chǔ)能力（可以使光響應(yīng)短程記憶（STM）到長(zhǎng)程記憶 （LTM）進(jìn)行轉(zhuǎn)變），同時(shí)這種光響應(yīng)行為還可以通過(guò)電學(xué)刺激來(lái)進(jìn)一步調(diào)節(jié)。理論分析發(fā)現(xiàn)這主要?dú)w因于光柵效應(yīng)（Photogating effect）對(duì)器件產(chǎn)生的影響。

施加光照的時(shí)候，電子被限制在一個(gè)狹窄的區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致了輸運(yùn)電子和被困空穴之間的空間分離，減少了它們的復(fù)合，提高了載流子壽命。當(dāng)柵極偏置為負(fù)時(shí)，能帶的彎曲會(huì)促進(jìn)ITO/SA界面中空穴的積累，從而減弱空穴捕獲。

對(duì)于正柵偏壓，由于能帶彎曲，來(lái)自這些空穴陷阱的光柵效應(yīng)可以增強(qiáng)。在光柵效應(yīng)的調(diào)控下器件展現(xiàn)出了很好的光感知行為。基于器件的光電協(xié)同效應(yīng)，研究人員初步實(shí)現(xiàn)了“可視”痛覺(jué)的生物仿生功能。

此外，研究人員還利用人工視網(wǎng)膜光電器件（基于3×3共面多柵網(wǎng)絡(luò)（Gn， n=1~9））構(gòu)筑了具有光痛覺(jué)感知能力的分級(jí)光學(xué)痛覺(jué)報(bào)警（OPA）傳感系統(tǒng)。隨著柵極到溝道距離的增加，該器件的痛覺(jué)感知能力相應(yīng)減弱。

這是由于隨著柵極到溝道距離的增加，離子耦合路徑變?nèi)酰腆w電解質(zhì)的電容變小和電阻變大。該功能將極大改善這種視覺(jué)系統(tǒng)的不均勻損傷，有效增強(qiáng)視覺(jué)對(duì)光痛覺(jué)感知的響應(yīng)，為智能視覺(jué)系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)廣闊的前景。

有意思的是，該器件可實(shí)現(xiàn)不同時(shí)空和不同顏色模式下的痛覺(jué)光敏化。在受到初次傷害刺激后，疼痛感知能力將會(huì)變得更加敏感，以保護(hù)機(jī)體免受二性傷害。同時(shí)還可以通過(guò)改變共面柵網(wǎng)絡(luò)的空間位置信息，有效地調(diào)制異步光電耦合和多波長(zhǎng)混合的耦合動(dòng)力學(xué)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)光電/顏色痛苦靈敏度。

這種基于可穿戴柔性光電器件的人工電子皮膚，不僅可以有效地保護(hù)皮膚免受外界有害環(huán)境的傷害，還可以根據(jù)不同的目的去提升光電混合系統(tǒng)的感知靈敏度。這種人工“可視”痛覺(jué)感知器件有望在數(shù)據(jù)安全、視覺(jué)醫(yī)療、環(huán)境報(bào)警等智能可穿戴電子設(shè)備中具有很好的應(yīng)用前景。

該論文的第一作者為馮光迪，通訊作者為中南大學(xué)的蔣杰副教授與華東師范大學(xué)田博博研究員、南京大學(xué)的萬(wàn)青教授。該工作得到了湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目; 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目；浙江省實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放科研項(xiàng)目以及上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目等大力支持。

編輯：jq