新型介观功能材料与蚕丝柔性介观电子学:银纳米簇介观杂化丝蛋白材料构建新型忆阻器及人工神经突触

如何使柔性材料具备原先材料所不曾有的功能? 如何开发全新的介观杂化新材料?这是些非常具有挑战性的问题,也是未来开发各种全柔性、特别是全天然的可穿戴、可植入光、电子器件的一重要途径。近日,厦门大学刘向阳教授团队报道了在丝素蛋白介观功能化组装机制及相关柔性电子应用领域的最新进展,以“Silk Flexible Electronics: From Bombyx mori Silk Ag Nanoclusters Hybrid Materials to Mesoscopic Memristors and Synaptic Emulators”为标题发表在国际著名学术期刊Advanced Functional Materials上。该工作通过纳观模板诱导成核,将功能纳米物质“镶嵌”进丝素蛋白介观网络结构中,第一次制备出功能新颖的丝素蛋白介观杂化材料,并将其作为关键材料构建出高性能、高稳定性、低能耗的蚕丝忆阻器及人工神经突触。

信息科技的飞跃植根于材料科学的发展,为了迎合信息电子器件在柔性可穿戴及体内可植入等领域的应用趋势,越来越多的蛋白质材料受到研究者的青睐,被用于构建柔性电子信息器件,推动信息科技的发展。但是传统的有机、生物材料为基础的天然有机电子元器件,往往面临电学性能不稳定的局限,具体表现在电学循环稳定性差,信息存储擦写速度慢及工作电压较高(能耗高)等。因此,如何提高蛋白质材料电学稳定性是发展高性能电子信息器件,推动人工智能发展的重要科学问题。刘向阳教授团队从介观功能化组装原理出发,首次设计、制备出新型介观功能化丝素蛋白材料,具体以银纳米簇等作为外源功能物质, 通过纳观模板诱导成介绍多级网络结构形成,银纳米簇组装到丝素蛋白介观网络中,实现丝素蛋白的介观功能化。并以此作为阻变层,构建出全新的信息存储元器件(图1)。

该介观杂化结构,彻底改变了带电粒子在蚕丝杂化材料中的传导机制与路径。通过经典密度泛函理论—Poisson–Nernst–Planck模拟可知,银纳米簇的介观功能化结构可蚕丝介观网络中引入大量低电势位点。这一现象被原子力显微镜的电势探针所证实。密度泛函理论模拟指出,这些低电势位点,会极大地促进正离子在区域引导Ag离子在丝素蛋白薄膜中的迁徙和沉积,并形成Ag离子迁移与沉积相对稳定的迁移路径。即银纳米簇在丝素蛋白网络中作为电荷捕获位点,用以电荷的捕获与释放,极大地提升丝素蛋白材料的电子学特性(图2、3)。该特性可在电场下实现对材料忆阻性能的优化调控。得到擦写速度达10ns的超快蛋白质基阻变存储器,比纯蚕丝的以及目前所报道的蛋白质基忆阻器,快二到三个数量级。这是目前所报道的蛋白质基信息存储领域最快擦写速度,甚至可以与顶级无机类材料忆助器相媲美(图3b),这也说明介观功能化策略对于开发全新介观功能新材料,以及提升相关介观电子元器件阻特性的有效性,证实该介观功能化策略在柔性材料功能化领域具备极大的推广价值,可为柔性电子器件材料提供新的设计思路及理论基础。

图1.丝素蛋白材料介观功能化策略示意图。a,新介观功能化丝素蛋白材料制备示意图;b,介观功能化器件构建示意图。

图2.新型介观功能化丝素蛋白薄膜表面电势解析。a,银纳米簇TEM照片;b,银纳米簇添加量30 wt%后丝素蛋白功能化薄膜AFM图片;c, 银纳米簇添加量30 wt%后丝素蛋白功能化薄膜AFM表面电势图片;d, 相应的表面电势曲线;e, 经典密度泛函理论模拟装置示意图; f, 没有银纳米簇的存在时的电学模拟;g, 银纳米簇存在时的点穴模拟; h&i, 电场下介观功能化丝素蛋白材料离子迁徙示意图。

图3.新型介观电子器件的电阻切换特性。a,不同材料的开关电压对比;b,不同材料的擦写速度对比。介观功能化丝素蛋白薄膜开关电压远远低于其他所报道的蛋白质及高分子材料等,且擦写速度更是目前蛋白质基信息存储器件领域最快速度,说明该功能化蛋白质材料具备优越的电学性能。

相关论文在线发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.201904777)上。