中南大学&南京大学Adv. Mater.：具有痛觉感知与敏化特性的亚10纳米智能氧化物晶体管！

前言

具有疼痛感知的伤害感受器（PPN）是识别有害刺激的最基本感觉神经元。在现实世界中，它可以使人体准确感知异常和危险的情况并使人体做出及时的反应。同时，敏化可调的伤害感受器(SRN)可以使过度兴奋的中枢神经正常化，从而有效地帮助疼痛敏感的病人减少疼痛感觉。因此，利用新兴的纳米器件从硬件层面上实现PPN和SRN, 可以使得智能光电设备根据不同的目的对外界刺激产生不同的敏感性，从而大大提高硬件设备的效率。

研究成果

近日，中南大学物理与电子学院何军教授和蒋杰副教授、南京大学万青教授（共同通讯作者）在Advanced Materials杂志上发表了题为“Sub-10 nm Vertical Organic/Inorganic Hybrid Transistor for Pain-Perceptual and Sensitization-Regulated Nociceptor Emulation”的研究成果。本研究中以海藻酸钠生物聚合物为栅介质，研制了一种垂直沟道仅为3 nm的可见光波段全透明In-Sn-O (ITO) 晶体管。这一垂直结构的短沟道类脑神经形态晶体管成功模拟了伤害感受器的疼痛阈值、对先前损伤的记忆、疼痛敏化/脱敏等重要特征。并通过巧妙地调节沟道厚度成功实现了SRN这一重要的痛觉神经功能。该器件可以为下一代人工智能纳米光电器件与系统的集成提供了广阔的发展前景。

图文简介

图1：疼痛神经信息传递原理图(左)； 亚10 nm垂直ITO晶体管的制造工艺（右）

图2：晶体管的结构、形貌表征和电学行为

(a) 垂直ITO晶体管的三维器件结构;
(b) 海藻酸钠薄膜的FT-IR光谱;
(c) 梳状源电极和超短通道的光学照片;
(d) 使用AFM测量的源/沟道与沟道之间的高度差;
(e) 源和沟道的能带图;
(f) 通入氧气和未通入氧气的ITO薄膜的XPS谱。

图3 突触传递下降调节控制

(a) 生物突触的示意图；
(b) EPSC响应；
(c-d)第一原理计算；
(e)器件对不同频率脉冲刺激的EPSC响应；
(h)疼痛阈值平面；

图4: 痛觉感受器功能的模拟

(a) 痛觉神经元结构图；
(b) 沟道厚度为8nm晶体管的痛觉阈值；
(c) 连续施加400个不同幅值（0.4~1.6 V）脉冲的EPSC响应；
(d) 施加固定电刺激(0.6V)的不同脉冲宽度(10~200 ms)的EPSC响应；
(e) 痛觉敏化随刺激时间间隔的变化；
(f) 敏化度与时间间隔的函数关系；
(g) 痛觉敏化随第一个刺激强度的变化；
(h) 敏化度与第一个脉冲强度的函数关系。

图5：敏化的可塑性

(a) 中枢敏化示意图；
(b) 不同沟道长度（厚度）的晶体管的转移曲线；
(c-d)用AFM测量的不同厚度的ITO；
(e)沟道长度为8nm的晶体管痛觉阈值；
(f)痛觉阈值随不同沟道长度（厚度）的函数关系。

小结

本研究中作者开发了一种具有生物痛觉功能的具有新型器件结构的晶体管，这一垂直结构的类脑神经电子器件不仅在超短沟道技术上取得了重要突破，同时还可以很好的模拟生物中的痛觉信号。更重要的是，该器件可以巧妙的通过控制通道厚度实现对痛觉敏化的调节。这种具有先进疼痛感知功能的神经形态氧化物晶体管可以使得智能光电设备根据不同的目的对外界刺激产生不同的敏感度, 为下一代高性能智能传感光电设备开辟了新的途径。

致谢

特别感谢湖南大学机械与运载工程学院段辉高、陈艺勤团队在器件微纳加工方面的支持；中南大学物理与电子学院高永立、牛冬梅团队在器件表面分析方面的支持；中南大学物理与电子学院阳军亮、刘标团队在器件第一性模拟方面的支持；中南大学物理与电子学院银凯老师在材料表征方面的支持。

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

本文系中南大学蒋杰课题组供稿。