任天令教授團隊長期致力于基于二維材料的智能微納電子器件、芯片與系統的研究，包括：智能傳感器與智能集成系統，二維納電子器件與芯片，柔性、可穿戴器件與系統，智能信息器件與系統技術等。先后在Nature、Nature Electronics、Nature Communications等重要學術期刊發表超過700篇論文。本期易絲幫精選了2篇任天令教授團關于“靜電紡 ZnO 納米纖維基晶體管和靜電紡絲構建電子皮膚”的最新研究，供大家學習了解。
1、《Advanced Functional Materials》：具有可調塑性的靜電紡納米纖維基突觸晶體管用于神經形態計算
生物突觸是神經形態網絡中神經元信號傳輸的操作連接，硬件實現與靜電紡絲一維納米纖維相結合，在具有門控通道電導的基本三端場效應晶體管中實現了復雜計算任務的功能。然而，對于基于納米纖維的突觸晶體管，技術參數如何影響神經系統中信息處理的信號強度仍缺乏基本的認識。
近日，清華大學任天令教授團隊通過調整靜電紡絲參數和引入通道表面摻雜，提出了一種具有可調塑性的靜電紡 ZnO 納米纖維基晶體管，以模擬不斷變化的突觸功能。同時揭示了載流子濃度和遷移率對器件電性能和突觸性能影響的機制。短期可塑性行為，包括成對脈沖促進、尖峰持續時間依賴性可塑性和動態過濾，都在這種基于纖維的設備中進行了調整。此外，鈣鈦礦摻雜器件的超低能耗高達≈0.2554 fJ及其手寫識別應用表明，基于一維納米結構有源層的突觸晶體管在構建下一代神經形態網絡方面具有巨大潛力。相關研究成果以“Electrospun Nanofiber-Based Synaptic Transistor with Tunable Plasticity for Neuromorphic Computing”以為題目，發表于期刊《Advanced Functional Materials》上。
圖1 a)生物突觸與ZnO納米纖維突觸晶體管的類比示意圖。b)具有內層電子的單納米纖維樣品，以演示電特性的機理。C)根據不同的工藝參數，所制備的人工突觸具有可調的電性能和突觸性能。
選取紡絲時間和退火溫度兩個具有代表性的因素以改變納米材料的形態為研究對象，進一步提高器件的性能。以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、N, N-二甲基甲酰胺(DMF)和醋酸鋅二水合物((CH3COO)2Zn·2H2O)溶膠凝膠前驅體為混合溶液，紡絲時間分別為25 s、45 s或70 s，制備無序連續納米纖維網絡。確定了制備高性能人工突觸的最佳工藝條件為靜電紡絲時間為70 s，退火溫度為500℃。
圖2 基于ZnO納米纖維的場效應晶體管及基本電測量。
綜上所述，任天令教授團隊通過采用靜電紡絲技術在 SiO2/Si 襯底上制備無序 ZnO 納米纖維。并作為人工突觸，并在該 FET 中成功實現了 ESPC、IPSC、PPF、SDDP 和高通濾波功能。選擇靜電紡絲時間(纖維覆蓋)、退火溫度和摻雜鈣鈦礦等參數對器件塑性進行優化，得到了性能增強的突觸晶體管。此外，在鈣鈦礦摻雜晶體管中實現了比生物突觸低幾十倍的超低能耗。這種基于納米纖維的場效應晶體管為可調響應突觸電子學提供了一個有代表性的模型，并為構建復雜的神經形態系統提供了一種潛在的方法。
2、《Chemical Engineering Journal》：多功能、透氣MXene-PU網電子皮膚用于可穿戴智能心電監測系統
隨著老齡化社會的到來和人們對心血管健康的日益關注，人們對日常生活中舒適的長期心電圖 (ECG) 監測系統的需求越來越大。如果系統能夠實時反饋心血管狀況，像醫生一樣及時提供個性化建議，將有利于促進心血管健康，緩解醫療資源不平衡的壓力。
鑒于此，清華大學任天令教授團隊實現了一種基于MXene-聚氨酯網的多功能、透氣、穿戴幾乎無感的電子皮膚（MPM E-Skin）。電子皮膚顯示出超低的電極-皮膚接觸阻抗（1 kHz 時為 4.68 kΩ）、高信噪比（16.5 dB）和高透氣性（2.1838 kg/m2/天） ，并且可以連續佩戴至少7天。作為應變傳感器，電子皮膚具有較大的測量范圍(> 40%)和獨特的分段靈敏度(GF = 172.54(0 ~ 18.64%)和79.38(18.64 ~ 50%)，適用于檢測細微和較大的生理信號。
圖1 MPM電子皮膚的制備方法與表征。
更重要的是，通過將MPM電子皮膚與柔性印刷電路板(FPCB)結合，并結合卷積神經網絡和長短期記憶(CNN和LSTM)智能算法，獲得的可穿戴智能電子皮膚系統可實現每日12小時12導聯心電監測，對4種心律不整的診斷準確率超過99%。這些結果表明，MPM電子皮膚在多功能智能醫療系統中具有巨大的潛力。特別提出了一種類似于“隨身醫生”的智能心電系統，用于日常的長期心血管健康監測。相關研究成果以“Multifunctional, breathable MXene-PU mesh electronic skin for wearable intelligent 12-lead ECG monitoring system”為題目發表在《Chemical Engineering Journal》上。
圖2 MPM電子皮膚應用于多樣化生理信號監測。
圖3 MPM電子皮膚的雙層導電網絡及基于其所構建的可穿戴12導聯智能心電監測系統。
綜上所述，任天令教授團隊展示了一種多功能、透氣的電子皮膚，用于日常生活中長期的多種生理信號傳感、心血管健康監測和診斷。創新的雙層導電MXene與PU納米網結合，同時增強了電子皮膚的物理性能，包括透氣性、機械可靠性、靈敏度、附著力和洗滌耐久性。使用MPM電子皮膚可以監測和區分多種生理信號，如脈搏、呼吸、語音識別和關節運動，而不會刺激皮膚。
在此基礎上，任天令教授團隊創新性地實現了“隨身醫生”式的智能可穿戴心電系統，其具有完整的心電“監測-傳輸-智能診斷”能力，適合日常自主穿戴，隨時隨地地進行無感化健康監測。因此，該方法為在日常健康監測、康復、治療和預防疾病中實施電子皮膚開辟了可能性。
微信二維碼
