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【紫外+介電常數】集成記憶邏輯功能的可穿戴蛋白記憶器件

來源：本站時間：2019-12-18 20:24:36 瀏覽：7798次

【研究背景】

近年來，基于硅的電子設備的發展進步很大，但是仍需開發如記憶器件、納米發電機等新概念電子設備。并且所謂的馮·諾依曼瓶頸，即存儲壁等限制導致傳統計算機體系結構難以滿足大數據的需求。目前，具有數據存儲和處理雙重功能的記憶器件被認為是克服馮諾·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性、生物相容性和多功能性方面也面臨巨大挑戰。因此，迫切需要一種具有雙數據存儲和處理、良好的生物相容性和環境友好性的記憶器件來突破馮·諾依曼瓶頸，開發一種神經形態計算芯片，制造具有超高數據存儲的硬件。

【研究成果】

近日，西南大學的段書凱教授和宋群梁教授（共同通訊作者）報道了一種具有優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問題的局限性，開發了一種基于蛋白質的記憶電阻器，顯示出了記憶邏輯功能。

本文亮點：

? 作者使用黑色素和甘油開發出的蛋白質允許天然蛋白質結構先破裂后重建。

? 雙光電響應蛋白質適用于記憶電阻器、晶體管、傳感器和其他電子設備。

? 開發的記憶電阻器在很寬的pH范圍內顯示出存儲器邏輯門功能和耐久性。

【圖文解析】

作者為了進一步研究蛋白質基質的光學和電學性質，測量了它的紫外（UV-vis）光譜和介電常數。UV-vis光譜顯示出蛋白樣品在與Pg-3，5,6-DHI和NaHCO₃反應后顯示出寬帶（300-650 nm）吸收。天然蛋白樣品的介電常數在1 MHz時為6.9。值得注意的是，在與黑色素和甘油納米顆粒反應后，介電常數在1 MHz時急劇升至15-21。對比天然卵蛋白，其介電常數提高了300％。除此之外，介電常數在100 Hz的低頻下為3600至42000。

圖1 蛋白質基質的光學和電學性質

為了研究電阻轉換（RS）行為的穩定性、靈活性和耐久性，作者將蛋白的陣列在經歷數千次循環的機械彎曲之后，再進行電流-電壓測試。其中，集成在蛋白質基底上的9×9個陣列上的蛋白質器件可以自由的和機械地彎曲，說明其具有極好的柔韌性。同時，在器件機械彎曲10，10²，10³和10⁴次后重新測試I-V遲滯，發現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定性。此外，通過偏置電壓掃描速率調整RS行為。發現在低掃描速率下也可以很好地保持RS行為，但是當掃描速率超過0.5V/s時，RS行為受到干擾。為了研究基于蛋白質的存儲器單元RS行為的耐久性，作者在高電阻狀態（HRS）和低電阻狀態（LRS）中施加0.2V讀取電壓10⁴秒。發現在保留時間以內，HRS和LRS之間的電阻比可以保持在10³以上。

圖2 Au|白蛋白|Au陣列的電學特性

如圖3a所示，其表示兩個輸入信號：寬帶光信號和電信號。通過施加光或電信號，可以在5.0 mA的規定電流線下獲得指示“0”或“1”的輸出電流。圖3c是將0.2V的重整電信號加到前一輸入信號上；圖3d“OR”和“AND”之間的存儲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】

綜上所述，通過簡單的熱和化學反應制造出了具有強物理柔性和優異的電性能的基于蛋白質的大面積紙基襯底。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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