東華大學張耀鵬教授團隊：低功耗、性能可調的絲素蛋白基生物憶阻器

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2021年7月1日 11:13

憶阻器全稱是記憶電阻器（Memristor），名字是記憶Memory和電阻Resistor兩個英文單詞合成。同常規元器件不同的是，憶阻器的最有趣特征是它可以記憶流經它的電荷數量，相當于一種有記憶功能的非線性電阻。通過控制電流的變化可改變其阻值，如果把高阻值定義為"1"，低阻值定義為"0"，則這種電阻就可以實現存儲數據的功能。因此，憶阻器在邏輯運算、非易失性存儲和仿生神經突觸等領域彰顯出巨大的潛力，甚至有望作為人工大腦的關鍵部件。迄今為止，具備憶阻功能的材料主要有無機材料、有機材料、復合材料與生物材料等，然而制備出一種兼具低功耗、穩定性、柔性、可降解、可植入的憶阻器仍是一個待克服的難題，因而亟需提高生物憶阻器的性能。

東華大學張耀鵬教授團隊：低功耗、性能可調的絲素蛋白基生物憶阻器的圖1

圖1 采用蠶絲制備的仿生神經突觸示意圖

近日，東華大學纖維材料改性國家重點實驗室張耀鵬、范蘇娜團隊報道了一種基于絲素蛋白（SF）的低工作電流、低功耗生物阻器。通過摻雜銀離子及乙醇后處理，促進SF微晶的形成，誘導載流子沿相對固定的較短路徑進行傳輸，實現器件運行功耗、工作電流有效降低的同時，提高器件的憶阻穩定性。相關研究成果以題為"Low Power and Tunable Performance Bio-memristor Based on Silk Fibroin"發表于ACS Biomaterials Science& Engineering。論文第一作者為東華大學博士生張藝，共同通訊作者為東華大學 張耀鵬教授 和 范蘇娜博士 ，韓芳教授為共同作者。

東華大學張耀鵬教授團隊：低功耗、性能可調的絲素蛋白基生物憶阻器的圖2

圖2 低功耗絲素蛋白憶阻器的工作示意圖

東華大學張耀鵬教授團隊：低功耗、性能可調的絲素蛋白基生物憶阻器的圖3

圖3 絲素蛋白基憶阻器的制備過程與分子結構

（a）SF基憶阻器的制造過程示意圖；(b) 器件照片；（c）乙醇處理前后SF/Ag復合膜的一維（1D）WAXD圖案和（d）結晶度統計。

研究者發現摻雜硝酸銀及乙醇后處理均會誘導SF由無規卷曲向β折疊結構轉變，形成微晶，獲得較高的結晶度。所得憶阻器件的穩定性顯著提升，啟動電壓明顯減小；且隨硝酸銀摻雜含量的增加，器件的穩定性與耐久性進一步增加，開關窗口逐漸減小。證實了憶阻器的穩定性和功耗與SF的凝聚態結構密切相關，且可通過后處理與摻雜金屬離子進行調控。

東華大學張耀鵬教授團隊：低功耗、性能可調的絲素蛋白基生物憶阻器的圖4

圖4 絲素蛋白基憶阻器的憶阻特性

（a）后處理前后SF基憶阻器的I-V曲線；（b, c）SF基憶阻器在10^-6A限制電流下的I-V特性曲線（b）及耐久性(c)；(d) SF基憶阻器的時間保持特性；(e) SF基憶阻器在 10^–5A（左）和 10^–6 A（右）限制電流下的啟動電壓分布；(f) 不同憶阻器的啟動功耗和工作電流的比較。

當摻雜硝酸銀的濃度為2.5 mM/L時，器件啟動電壓約為0.7 V，開關窗口約為10³，啟動功耗約為0.7 μW。在10^-6A的限制電流下，器件的阻態仍可穩定切換100次以上，且啟動電壓的分布更加集中。本研究報道的SF憶阻器的工作電流（1 μA）與啟動功耗（0.7 μW）與WS₂、Bi:SnO₂等低功耗的無機憶阻器相當，并優于部分文獻報道的SF基憶阻器。通過對I-V特性曲線進行擬合分析，并結合開爾文探針力顯微鏡（KPFM）的電勢分析，表明SF/Ag憶阻功能層對電子具有較強的捕獲及保留能力，其憶阻性能與載流子俘獲/釋放有關，符合空間電荷限制傳導 (SCLC) 機制。

上述基于絲素蛋白生物憶阻器不僅工作電流低、功耗低，而且具有非線性的傳輸功能，顯示了其在人工神經突觸、有機生物電子等方面的巨大應用潛力。

東華大學張耀鵬教授團隊：低功耗、性能可調的絲素蛋白基生物憶阻器的圖5