中南大學&南京大學Adv. Mater.：具有痛覺感知與敏化特性的亞10納米智能氧化物晶體管！

前言

具有疼痛感知的傷害感受器（PPN）是識別有害刺激的最基本感覺神經元。在現實世界中，它可以使人體準確感知異常和危險的情況并使人體做出及時的反應。同時，敏化可調的傷害感受器(SRN)可以使過度興奮的中樞神經正常化，從而有效地幫助疼痛敏感的病人減少疼痛感覺。因此，利用新興的納米器件從硬件層面上實現PPN和SRN, 可以使得智能光電設備根據不同的目的對外界刺激產生不同的敏感性，從而大大提高硬件設備的效率。

研究成果

近日，中南大學物理與電子學院何軍教授和蔣杰副教授、南京大學萬青教授（共同通訊作者）在Advanced Materials雜志上發表了題為“Sub-10 nm Vertical Organic/Inorganic Hybrid Transistor for Pain-Perceptual and Sensitization-Regulated Nociceptor Emulation”的研究成果。本研究中以海藻酸鈉生物聚合物為柵介質，研制了一種垂直溝道僅為3 nm的可見光波段全透明In-Sn-O (ITO) 晶體管。這一垂直結構的短溝道類腦神經形態晶體管成功模擬了傷害感受器的疼痛閾值、對先前損傷的記憶、疼痛敏化/脫敏等重要特征。并通過巧妙地調節溝道厚度成功實現了SRN這一重要的痛覺神經功能。該器件可以為下一代人工智能納米光電器件與系統的集成提供了廣闊的發展前景。

圖文簡介

圖1：疼痛神經信息傳遞原理圖(左)； 亞10 nm垂直ITO晶體管的制造工藝（右）

圖2：晶體管的結構、形貌表征和電學行為

(a) 垂直ITO晶體管的三維器件結構;
(b) 海藻酸鈉薄膜的FT-IR光譜;
(c) 梳狀源電極和超短通道的光學照片;
(d) 使用AFM測量的源/溝道與溝道之間的高度差;
(e) 源和溝道的能帶圖;
(f) 通入氧氣和未通入氧氣的ITO薄膜的XPS譜。

圖3 突觸傳遞下降調節控制

(a) 生物突觸的示意圖；
(b) EPSC響應；
(c-d)第一原理計算；
(e)器件對不同頻率脈沖刺激的EPSC響應；
(h)疼痛閾值平面；

圖4: 痛覺感受器功能的模擬

(a) 痛覺神經元結構圖；
(b) 溝道厚度為8nm晶體管的痛覺閾值；
(c) 連續施加400個不同幅值（0.4~1.6 V）脈沖的EPSC響應；
(d) 施加固定電刺激(0.6V)的不同脈沖寬度(10~200 ms)的EPSC響應；
(e) 痛覺敏化隨刺激時間間隔的變化；
(f) 敏化度與時間間隔的函數關系；
(g) 痛覺敏化隨第一個刺激強度的變化；
(h) 敏化度與第一個脈沖強度的函數關系。

圖5：敏化的可塑性

(a) 中樞敏化示意圖；
(b) 不同溝道長度（厚度）的晶體管的轉移曲線；
(c-d)用AFM測量的不同厚度的ITO；
(e)溝道長度為8nm的晶體管痛覺閾值；
(f)痛覺閾值隨不同溝道長度（厚度）的函數關系。

小結

本研究中作者開發了一種具有生物痛覺功能的具有新型器件結構的晶體管，這一垂直結構的類腦神經電子器件不僅在超短溝道技術上取得了重要突破，同時還可以很好的模擬生物中的痛覺信號。更重要的是，該器件可以巧妙的通過控制通道厚度實現對痛覺敏化的調節。這種具有先進疼痛感知功能的神經形態氧化物晶體管可以使得智能光電設備根據不同的目的對外界刺激產生不同的敏感度, 為下一代高性能智能傳感光電設備開辟了新的途徑。

致謝

特別感謝湖南大學機械與運載工程學院段輝高、陳藝勤團隊在器件微納加工方面的支持；中南大學物理與電子學院高永立、牛冬梅團隊在器件表面分析方面的支持；中南大學物理與電子學院陽軍亮、劉標團隊在器件第一性模擬方面的支持；中南大學物理與電子學院銀凱老師在材料表征方面的支持。

文獻鏈接
Sub-10 nm Vertical Organic/Inorganic Hybrid Transistor for Pain-Perceptual and Sensitization-Regulated Nociceptor Emulation, 2019, Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201906171.

本文系中南大學蔣杰課題組供稿。