韩国Zhuiykov教授：基于纳米仿生全氧化物异质结构的光响应痛觉感受器

研究背景

视网膜中对光敏感的感受细胞(光感受器)受光照射产生电信号启动了视觉过程。光感受器一旦损伤或退变(如常见的黄斑变性)，由于光感受器不能自行修复，往往会导致失明。用人工方法恢复视网膜的感光能力是神经科学和临床医学面临的大难题。

Nanoscale All-Oxide-Heterostructured Bio-inspired Optoresponsive Nociceptor

Mohammad Karbalaei Akbari, Jie Hu, Francis Verpoort, Hongliang Lu, Serge Zhuiykov*

Nano‑Micro Lett.(2020) 12:83

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00419-z

本文亮点

1. 设计了一种基于二维异质结构全氧化物纳米结构的人工光电痛觉感受器。2. 对二维异质界面进行了功能化处理，并证实了其用于制造人工痛觉感受器的工程技术。

内容简介

韩国Ghent University Serge Zhuiykov教授课题组利用超薄的亚化学计量的TiO₂-Ga₂O₃异质结构设计痛觉感受器，其中经热退火的Ga₂O₃薄膜起着电荷转移控制成分的作用。发现在退火过程中，Ga₂O₃纳米结构的热辅助内部氧化还原反应引起了Ga₂O₃中的相变，伴随着电导率的大幅提升。实验还证实，可以通过异质界面操作来调节和控制所有氧化物异质结构中的电荷转移。在这项研究中，证实了二维全氧化物异质结构制备的人工痛觉感受器作为具有可调特性的单个装置的能力。二维(2D)薄膜异质界面的工程化可以制造高灵敏度的TiO₂-Ga₂O₃(Ar)或高阈值的TiO₂-Ga₂O₃(N₂)痛觉感受器。超敏痛觉感受器模仿人眼的角膜痛觉感受器的功能，而痛觉感受器的延迟反应类似于人感觉系统的高阈值痛觉感受特性。2D痛觉感受器的长期稳定性证明了异质接口工程技术能够有效控制2D异质结构器件的电荷转移。

图文导读

I 人眼感受器和痛觉感受器系统

图1. 人眼感受器和痛觉感受器系统的示意图。(a)作为决策单元的人脑从(b)人眼及其感觉组件(包括视网膜部分的(c)光受体和痛觉感受器)接收信息信号。 (d)典型痛觉感受器及其成分。(e)导体/半导体/导体夹层结构中自然突触及其人工对应物的典型示意图。

II Ga₂O₃结构性质

图2. RTA处理的示意图以及超薄异质结构薄膜的表征结果。(a)Ar和N₂气氛中5nm厚的氧化镓膜RTA的图形化方案。(b)在Ar和N₂气氛中RTA处理的氧化镓膜的拉曼谱图，(c)拉曼位移和(d)FESEM显微组织观察。(e)沉积和经RTA处理的氧化镓膜的光致发光光谱。(f)所选二维(2D)金属氮化物的Eg对比图以及本研究结果。

III 相变机理

图3. RTA处理过程中氧化镓膜的电导率测量结果和相变图形图解及其XPS测量。(a)在Ar和N₂气氛中RTA后的氧化镓薄膜的电导率变化。(b-d)RTA处理期间氧化镓膜的相变。

图4. N₂掺杂Ga₂O₃薄膜的XPS和价态最大值(VBM)。(a)RTA过程导致了氧化镓膜中带隙排列的改变，其中N₂气氛中较高的RTA温度伴随着VBM的增加。(b)样品的O1 XPS分析，(c)RTA样品中Ga-O键百分比变化和氧空位。RTA样品中Ga3d(d)和N1s(e)的XPS谱图。

IV 忆阻器器件

图5. 制成的忆阻器器件的电气特性与电阻特性的特性曲线。(a)Pt/TiO₂-Ga₂O₃/Au和Pt/TiO₂-Ga₂O₃(Ar-600°C)/Au的典型I–V曲线，(b)Pt/TiO₂-Ga₂O₃(N₂-450°C)/Au，(c)Pt/TiO₂-Ga₂O₃(N₂-600°C)/Au忆阻器器件三圈循环伏安曲线。(d)Pt/TiO₂-Ga₂O₃ (N₂-600°C)/Au忆阻器器件的两个循环伏安法的对数刻度I–V特性。(e)I/V²与同一设备的I/V的对数曲线。(f)制成的异质结构忆阻器器件的ΔEc。

图6. (a)从TiO₂到Ga₂O₃(N₂)器件的电荷转移的能带示意图。(b)KPFM分析可监测Au和Pt电极之间忆阻器器件的表面电势，以了解水平形成的TiO₂-Ga₂O₃异质结构。扫描面积为1 μm²。亮的区域表示电子陷阱区域，而暗的区域表示空穴陷阱区域。(c)零偏压和HRS模式下忆阻器TiO₂薄膜的拉曼光谱。

V 伤害感受器

图7. (a)Ti₃C₂T_x与吡咯聚合示意图；(b)Ti₃C₂T_x/MnO₂纳米线的横截面SEM图像和TEM图像；(c)不同样品Ti₃C₂T_x/ MnO₂纳米线的CV和GCD曲线。伤害感受器的光诱导痛觉感受行为。(a)在0.1 V偏压下ITO/TiO₂-Ga₂O₃/Au器件的光强度依赖性光响应显示了阈值和饱和特性。(b)比较各种忆阻器器件的典型光响应，显示出异质接口工程对制造的忆阻器器件的阈值和饱和特性的影响。ITO/TiO₂-Ga₂O₃(N₂-600°C)/ Au伤害感受器件在各种异质结构器件中显示出最高的阈值。(c)ITO/TiO₂-Ga₂O₃(N₂-600°C)/Au伤害感受器在35 mW/cm²脉冲激光(360 nm)照射下的弛豫特性。(d)光频率对伤害感受器放松时间的影响。(e)ITO/TiO₂-Ga₂O₃(Ar)/Au装置的异常性疼痛特征。(f)ITO/TiO₂-Ga₂O₃(Ar)/Au装置的异常性疼痛和痛觉过敏。

作者简介

Professor Serge Zhuiykov本文通讯作者Ghent University Incheon Global Campus, Korea

环境与能源研究中心

▍主要研究领域

原子层沉积，传感器，TiO₂，石墨烯，异质结构，金属有机骨架，纳米复合材料，纳米棒。

▍Email: [e-mail]▍个人主页: 

https://biblio.ugent.be/person/802002110895

撰稿：《纳微快报》编辑部

编辑：《纳微快报》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在 Springer 开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。

E-mail：[e-mail]

Tel：[phone]

点击阅读原文可在 Springer 免费获取全文