东华大学张耀鹏教授团队：低功耗、性能可调的丝素蛋白基生物忆阻器

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忆阻器全称是记忆电阻器（Memristor），名字是记忆Memory和电阻Resistor两个英文单词合成。同常规元器件不同的是，忆阻器的最有趣特征是它可以记忆流经它的电荷数量，相当于一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为"1"，低阻值定义为"0"，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。因此，忆阻器在逻辑运算、非易失性存储和仿生神经突触等领域彰显出巨大的潜力，甚至有望作为人工大脑的关键部件。迄今为止，具备忆阻功能的材料主要有无机材料、有机材料、复合材料与生物材料等，然而制备出一种兼具低功耗、稳定性、柔性、可降解、可植入的忆阻器仍是一个待克服的难题，因而亟需提高生物忆阻器的性能。

图1 采用蚕丝制备的仿生神经突触示意图

近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏、范苏娜团队报道了一种基于丝素蛋白（SF）的低工作电流、低功耗生物阻器。通过掺杂银离子及乙醇后处理，促进SF微晶的形成，诱导载流子沿相对固定的较短路径进行传输，实现器件运行功耗、工作电流有效降低的同时，提高器件的忆阻稳定性。相关研究成果以题为"Low Power and Tunable Performance Bio-memristor Based on Silk Fibroin"发表于ACS Biomaterials Science& Engineering。论文第一作者为东华大学博士生张艺，共同通讯作者为东华大学张耀鹏教授和范苏娜博士，韩芳教授为共同作者。

图2 低功耗丝素蛋白忆阻器的工作示意图

图3 丝素蛋白基忆阻器的制备过程与分子结构

（a）SF基忆阻器的制造过程示意图；(b) 器件照片；（c）乙醇处理前后SF/Ag复合膜的一维（1D）WAXD图案和（d）结晶度统计。

研究者发现掺杂硝酸银及乙醇后处理均会诱导SF由无规卷曲向β折叠结构转变，形成微晶，获得较高的结晶度。所得忆阻器件的稳定性显著提升，启动电压明显减小；且随硝酸银掺杂含量的增加，器件的稳定性与耐久性进一步增加，开关窗口逐渐减小。证实了忆阻器的稳定性和功耗与SF的凝聚态结构密切相关，且可通过后处理与掺杂金属离子进行调控。

图4 丝素蛋白基忆阻器的忆阻特性

（a）后处理前后SF基忆阻器的I-V曲线；（b, c）SF基忆阻器在10^-6A限制电流下的I-V特性曲线（b）及耐久性(c)；(d) SF基忆阻器的时间保持特性；(e) SF基忆阻器在 10^–5 A（左）和 10^–6 A（右）限制电流下的启动电压分布；(f) 不同忆阻器的启动功耗和工作电流的比较。

当掺杂硝酸银的浓度为2.5 mM/L时，器件启动电压约为0.7 V，开关窗口约为10³，启动功耗约为0.7 μW。在10^-6 A的限制电流下，器件的阻态仍可稳定切换100次以上，且启动电压的分布更加集中。本研究报道的SF忆阻器的工作电流（1 μA）与启动功耗（0.7 μW）与WS₂、Bi:SnO₂等低功耗的无机忆阻器相当，并优于部分文献报道的SF基忆阻器。通过对I-V特性曲线进行拟合分析，并结合开尔文探针力显微镜（KPFM）的电势分析，表明SF/Ag忆阻功能层对电子具有较强的捕获及保留能力，其忆阻性能与载流子俘获/释放有关，符合空间电荷限制传导 (SCLC) 机制。
上述基于丝素蛋白生物忆阻器不仅工作电流低、功耗低，而且具有非线性的传输功能，显示了其在人工神经突触、有机生物电子等方面的巨大应用潜力。

图5 丝素蛋白基忆阻器的工作机制

高（a）低（b）阻态的双对数I-V曲线

此工作得到了国家自然科学基金、上海市优秀学术带头人项目等项目的资助。特别感谢岛津公司刘仁威博士在 AFM、KPFM 和 XPS 表征方面提供的帮助。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsbiomaterials.1c00513

来源：东华生物质材料成型与加工课题组

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