Nano Lett.：高度褶皺的全碳晶體管在神經信號檢測中的應用

【引語】

2016年12月8日，Nano Lett.?網站在線發表了題為“Highly Crumpled All-Carbon Transistors for Brain Activity Recording”的文章。該文章的第一作者為來自國家納米科學中心的楊龍，通訊作者為國家納米科學中心的方英教授。在這篇文章中，研究人員設計和構建了一種石墨烯晶體管神經探針，這種神經探針具有豐富的壓縮投影面積以及能夠保持石墨烯活性面積不變，從而可以實現高靈敏度和更高的空間分辨率。

【成果簡介】

神經探針技術對人類了解大腦功能具有顯著的貢獻且目前廣泛應用于腦疾病的診斷和治療。目前，神經探針的空間分辨能力，密度以及組織整合等方面不斷得到改進。晶體管神經探針的發展可使生物電神經活性通過電容耦合調節半導體導帶的電導率。石墨烯的機械性能和電導性能使其成為柔性晶體管神經探針最有吸引力的基材。然而，石墨烯晶體管探針與金屬微電極一樣，可檢測的最小信號與活性開方表面積成反比例。為有效提高石墨烯晶體管神經探針的空間分辨率，本文中的研究人員一種高度褶皺且韌性高的全碳晶體管神經探針。這種神經探頭具有豐富的壓縮投影面積以及能夠保持石墨烯活性面積不變，從而可以實現高靈敏度和更高的空間分辨率地檢測活體大腦的神經活動。

【圖文導讀】

圖1.全碳晶體管的起皺過程

?

(a)石墨烯導管與石墨烯-碳納米管異質電極(hGC)通過化學合成的方法無縫結合形成全碳晶體管。

(b)石墨烯-碳納米管異質電極在厚度為200 nm的PMMA基底上的SEM圖。

(c)高度褶皺晶體管的SEM圖。

(d)全碳晶體管的光學圖。

(e)全碳晶體管隨著面拉伸力增加的三維共聚焦顯微鏡圖像。

?圖2：全碳晶體管與石墨烯-金晶體管在壓縮條件下的對比情況

(a)-(d) 全碳晶體管在單軸壓縮條件下的光學圖。

(e)-(h) 石墨烯-金晶體管在單軸壓縮條件下的光學圖。其中，(a)和(e)中的紅色箭頭指代的是石墨烯導帶的邊緣。

(i) 隨著壓縮條件的變化，不同晶體管的褶皺脊高度的對比圖。

(j) 褶皺脊高度響應隨著壓縮應力變化的不匹配曲線，黑色為金與石墨烯之間的不匹配曲線，紅色的為石墨烯-碳納米管異質電極與石墨烯之間的不匹配曲線。

(k) 全碳晶體管(紅色)和石墨烯-金晶體管(黑色)的漏源電阻隨著壓縮應力變化而變化。

?圖3：石墨烯-金晶體管的破裂

(a) 金(i)金和石墨烯(ii)膜附有基底上(藍色)或沒有基底(紅色)的最大張應變-壓縮力模擬曲線，兩種膜的三個變形階段的應力分布圖：(1) 單個褶皺峰脊出現；(2)一個完整分布的褶皺脊；(3) 新的褶皺脊產生。

(b) 雙軸向壓縮條件下，石墨烯-金晶體管的SEM圖和FE擬合，(i)高度褶皺的石墨烯-金晶體管，其面積壓縮率高達84%，(ii)為金電極的褶皺最高點周圍出現細小裂紋的高倍率SEM圖，(iii)為金膜在20%的壓縮應力作用下的拉伸應變模擬分布圖，(iv)褶皺金電極中長裂紋的高倍率SEM圖，(v) 石墨烯導管的高倍率SEM圖；石墨烯中沒有存在任何裂紋。

?圖4：全碳晶體管在離子溶液中的電導性能?

(a) 隨著雙軸壓縮應力的增加，全碳晶體管的漏源電流(I)與液體觸發電壓(V_g)關系圖，漏源偏差電壓為60 mV。

(b) 導通電流（I_on，紅球）和標準化跨導的孔載流子（g_m，黑球）作為面積應力的函數。

?5：高度褶皺全碳晶體管應用于記錄活體大腦活動

(a) 4×4陣列全碳晶體管的示意圖。

(b) 4×4陣列雙軸褶皺全碳晶體管的光學圖

(c) 雙軸褶皺全碳晶體管陣列放置在大鼠腦左皮質表面的光學圖。

(d) 通過高度褶皺且面積應力為82％的全碳晶體管實時記錄軌跡，黑色箭頭表示青霉素注射的時間點。

(e) 來著(d)中的時間序列數據用于歸一化時頻譜分析。

(f)-(h) 基礎活動期，潛伏期和癲癇樣活動期的放大圖。

【小結】

綜上所述，研究人員基于晶體管神經探針通過平面高度壓縮為實現高靈敏度和顯著改善空間分辨率提供了一種新方法。通過化學集成得到的無縫高度褶皺的全碳晶體管保持其結構和電導性能的完整性且空間分辨率可增加6倍。同 時，這種靈活，高度折皺的全碳晶體管可應用于腦活動的體內記錄。這種自組裝的方法為制備大面積、高縱橫比的電子提供了一種直接和經濟的思路，并且可擴展應用到其他二維材料，如過渡金屬硫屬化物。

文獻鏈接：Highly Crumpled All-Carbon Transistors for Brain Activity Recording?（Nano Lett. 2016,?DOI: 10.1021/acs.nanolett. 6b03356）

?該文獻匯總由材料人編輯部納米學術組王暢供稿，材料牛編輯整理。

?材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

?材料人網尊重所有進行知識傳播的媒體，轉載請聯系tougao@cailiaoren.com

?材料測試，數據分析，上測試谷！