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【紫外+介電常數(shù)】集成記憶邏輯功能的可穿戴蛋白記憶器件

來源：本站時(shí)間：2019-12-18 20:24:36 瀏覽：6221次

【研究背景】

近年來，基于硅的電子設(shè)備的發(fā)展進(jìn)步很大，但是仍需開發(fā)如記憶器件、納米發(fā)電機(jī)等新概念電子設(shè)備。并且所謂的馮·諾依曼瓶頸，即存儲(chǔ)壁等限制導(dǎo)致傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)難以滿足大數(shù)據(jù)的需求。目前，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理雙重功能的記憶器件被認(rèn)為是克服馮諾·依曼瓶頸的最有希望候選者之一。然而，基于氧化物的記憶器件在使用可持續(xù)性、生物相容性和多功能性方面也面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，迫切需要一種具有雙數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理、良好的生物相容性和環(huán)境友好性的記憶器件來突破馮·諾依曼瓶頸，開發(fā)一種神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片，制造具有超高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的硬件。

【研究成果】

近日，西南大學(xué)的段書凱教授和宋群梁教授（共同通訊作者）報(bào)道了一種具有優(yōu)異介電性能的卵蛋白基生物材料。并且克服了馮·諾依曼瓶頸及其相應(yīng)問題的局限性，開發(fā)了一種基于蛋白質(zhì)的記憶電阻器，顯示出了記憶邏輯功能。

本文亮點(diǎn)：

? 作者使用黑色素和甘油開發(fā)出的蛋白質(zhì)允許天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)先破裂后重建。

? 雙光電響應(yīng)蛋白質(zhì)適用于記憶電阻器、晶體管、傳感器和其他電子設(shè)備。

? 開發(fā)的記憶電阻器在很寬的pH范圍內(nèi)顯示出存儲(chǔ)器邏輯門功能和耐久性。

【圖文解析】

作者為了進(jìn)一步研究蛋白質(zhì)基質(zhì)的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，測(cè)量了它的紫外（UV-vis）光譜和介電常數(shù)。UV-vis光譜顯示出蛋白樣品在與Pg-3，5,6-DHI和NaHCO₃反應(yīng)后顯示出寬帶（300-650 nm）吸收。天然蛋白樣品的介電常數(shù)在1 MHz時(shí)為6.9。值得注意的是，在與黑色素和甘油納米顆粒反應(yīng)后，介電常數(shù)在1 MHz時(shí)急劇升至15-21。對(duì)比天然卵蛋白，其介電常數(shù)提高了300％。除此之外，介電常數(shù)在100 Hz的低頻下為3600至42000。

圖1 蛋白質(zhì)基質(zhì)的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)

為了研究電阻轉(zhuǎn)換（RS）行為的穩(wěn)定性、靈活性和耐久性，作者將蛋白的陣列在經(jīng)歷數(shù)千次循環(huán)的機(jī)械彎曲之后，再進(jìn)行電流-電壓測(cè)試。其中，集成在蛋白質(zhì)基底上的9×9個(gè)陣列上的蛋白質(zhì)器件可以自由的和機(jī)械地彎曲，說明其具有極好的柔韌性。同時(shí)，在器件機(jī)械彎曲10，10²，10³和10⁴次后重新測(cè)試I-V遲滯，發(fā)現(xiàn)基于蛋白的憶阻器具有很好的RS行為，表明器件具有良好穩(wěn)定性。此外，通過偏置電壓掃描速率調(diào)整RS行為。發(fā)現(xiàn)在低掃描速率下也可以很好地保持RS行為，但是當(dāng)掃描速率超過0.5V/s時(shí)，RS行為受到干擾。為了研究基于蛋白質(zhì)的存儲(chǔ)器單元RS行為的耐久性，作者在高電阻狀態(tài)（HRS）和低電阻狀態(tài)（LRS）中施加0.2V讀取電壓10⁴秒。發(fā)現(xiàn)在保留時(shí)間以內(nèi)，HRS和LRS之間的電阻比可以保持在10³以上。

圖2 Au|白蛋白|Au陣列的電學(xué)特性

如圖3a所示，其表示兩個(gè)輸入信號(hào)：寬帶光信號(hào)和電信號(hào)。通過施加光或電信號(hào)，可以在5.0 mA的規(guī)定電流線下獲得指示“0”或“1”的輸出電流。圖3c是將0.2V的重整電信號(hào)加到前一輸入信號(hào)上；圖3d“OR”和“AND”之間的存儲(chǔ)器邏輯門切換的示意圖。

圖3 具有集成記憶邏輯門功能的可穿戴蛋白憶阻器

【小結(jié)】

綜上所述，通過簡(jiǎn)單的熱和化學(xué)反應(yīng)制造出了具有強(qiáng)物理柔性和優(yōu)異的電性能的基于蛋白質(zhì)的大面積紙基襯底。基于蛋白的記憶電阻器陣列集成在蛋白質(zhì)基板上，顯示出10⁴的電阻比，V_SET<2V，V_RESET>1.5V和在彎曲10⁴次后的保留時(shí)間>10⁴s。在施加電脈沖和光脈沖之后，可行地獲得包含NOT、OR和AND的完整存儲(chǔ)器邏輯塊。

文章題目: Artificial and wearable albumen protein memristor array with integrated memory logic gate functionality. Mater. Horiz., 2019, DOI: 10.1039/c9mh00468h.

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