人類可以憑借強大的智能視覺系統(tǒng),在低能耗的條件下清晰有效地感知周圍環(huán)境。因此,基于新器件來構(gòu)建一種高效的智能視覺系統(tǒng)是人類夢寐以求的目標。然而,當前的人工視覺傳感裝置仍然還需要進一步整合智能感知能力。
痛覺感受器作為保護人體的關(guān)鍵感知神經(jīng)元,其在人體仿生傳感裝置中的應(yīng)用尚需進一步開發(fā)。有鑒于此,為了實現(xiàn)真正多功能的視覺整合,開發(fā)一種能夠?qū)?a target="_blank">光電信號完美轉(zhuǎn)換為視覺疼痛信號的簡易器件具有重要意義。
近日,中南大學蔣杰副教授與華東師范大學田博博研究員、南京大學萬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”痛覺網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了光電混合感知的“可視”痛覺神經(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。
受到生物視覺痛感受器保護系統(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)以及生物視覺智能傳感的示意圖。
研究人員對構(gòu)建的柔性垂直氧化物晶體管進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)酢Q芯咳藛T對通氧后ITO 原子晶格、材料形貌進行了表界面分析,同時也對器件做了相應(yīng)的柔性測試。
采用海藻酸鈉(SA)生物材料可以同時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。
該器件不僅能對光信息有很好的感知和存儲能力(可以使光響應(yīng)短程記憶(STM)到長程記憶 (LTM)進行轉(zhuǎn)變),同時這種光響應(yīng)行為還可以通過電學刺激來進一步調(diào)節(jié)。理論分析發(fā)現(xiàn)這主要歸因于光柵效應(yīng)(Photogating effect)對器件產(chǎn)生的影響。
施加光照的時候,電子被限制在一個狹窄的區(qū)域內(nèi),導(dǎo)致了輸運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。當柵極偏置為負時,能帶的彎曲會促進ITO/SA界面中空穴的積累,從而減弱空穴捕獲。
對于正柵偏壓,由于能帶彎曲,來自這些空穴陷阱的光柵效應(yīng)可以增強。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),研究人員初步實現(xiàn)了“可視”痛覺的生物仿生功能。
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)筑了具有光痛覺感知能力的分級光學痛覺報警(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系統(tǒng)的不均勻損傷,有效增強視覺對光痛覺感知的響應(yīng),為智能視覺系統(tǒng)的發(fā)展帶來廣闊的前景。
有意思的是,該器件可實現(xiàn)不同時空和不同顏色模式下的痛覺光敏化。在受到初次傷害刺激后,疼痛感知能力將會變得更加敏感,以保護機體免受二性傷害。同時還可以通過改變共面柵網(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混合的耦合動力學過程,實現(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”痛覺感知器件有望在數(shù)據(jù)安全、視覺醫(yī)療、環(huán)境報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的蔣杰副教授與華東師范大學田博博研究員、南京大學的萬青教授。該工作得到了湖南省自然科學基金項目; 國家自然科學基金項目;浙江省實驗室開放科研項目以及上海市科技創(chuàng)新行動計劃項目等大力支持。
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原文標題:AFM:基于柔性垂直光柵晶體管構(gòu)筑“可視”痛覺神經(jīng)元
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