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【紫外+介电常数】集成记忆逻辑功能的可穿戴蛋白记忆器件

来源：本站时间：2019-12-18 20:24:36 浏览：5558次

【研究背景】

近年来，基于硅的电子设备的发展进步很大，但是仍需开发如记忆器件、纳米发电机等新概念电子设备。并且所谓的冯·诺依曼瓶颈，即存储壁等限制导致传统计算机体系结构难以满足大数据的需求。目前，具有数据存储和处理双重功能的记忆器件被认为是克服冯诺·依曼瓶颈的最有希望候选者之一。然而，基于氧化物的记忆器件在使用可持续性、生物相容性和多功能性方面也面临巨大挑战。因此，迫切需要一种具有双数据存储和处理、良好的生物相容性和环境友好性的记忆器件来突破冯·诺依曼瓶颈，开发一种神经形态计算芯片，制造具有超高数据存储的硬件。

【研究成果】

近日，西南大学的段书凯教授和宋群梁教授（共同通讯作者）报道了一种具有优异介电性能的卵蛋白基生物材料。并且克服了冯·诺依曼瓶颈及其相应问题的局限性，开发了一种基于蛋白质的记忆电阻器，显示出了记忆逻辑功能。

本文亮点：

✦ 作者使用黑色素和甘油开发出的蛋白质允许天然蛋白质结构先破裂后重建。

✦ 双光电响应蛋白质适用于记忆电阻器、晶体管、传感器和其他电子设备。

✦ 开发的记忆电阻器在很宽的pH范围内显示出存储器逻辑门功能和耐久性。

【图文解析】

作者为了进一步研究蛋白质基质的光学和电学性质，测量了它的紫外（UV-vis）光谱和介电常数。UV-vis光谱显示出蛋白样品在与Pg-3，5,6-DHI和NaHCO₃反应后显示出宽带（300-650 nm）吸收。天然蛋白样品的介电常数在1 MHz时为6.9。值得注意的是，在与黑色素和甘油纳米颗粒反应后，介电常数在1 MHz时急剧升至15-21。对比天然卵蛋白，其介电常数提高了300％。除此之外，介电常数在100 Hz的低频下为3600至42000。

图1 蛋白质基质的光学和电学性质

为了研究电阻转换（RS）行为的稳定性、灵活性和耐久性，作者将蛋白的阵列在经历数千次循环的机械弯曲之后，再进行电流-电压测试。其中，集成在蛋白质基底上的9×9个阵列上的蛋白质器件可以自由的和机械地弯曲，说明其具有极好的柔韧性。同时，在器件机械弯曲10，10²，10³和10⁴次后重新测试I-V迟滞，发现基于蛋白的忆阻器具有很好的RS行为，表明器件具有良好稳定性。此外，通过偏置电压扫描速率调整RS行为。发现在低扫描速率下也可以很好地保持RS行为，但是当扫描速率超过0.5V/s时，RS行为受到干扰。为了研究基于蛋白质的存储器单元RS行为的耐久性，作者在高电阻状态（HRS）和低电阻状态（LRS）中施加0.2V读取电压10⁴秒。发现在保留时间以内，HRS和LRS之间的电阻比可以保持在10³以上。

图2 Au|白蛋白|Au阵列的电学特性

如图3a所示，其表示两个输入信号：宽带光信号和电信号。通过施加光或电信号，可以在5.0 mA的规定电流线下获得指示“0”或“1”的输出电流。图3c是将0.2V的重整电信号加到前一输入信号上；图3d“OR”和“AND”之间的存储器逻辑门切换的示意图。

图3 具有集成记忆逻辑门功能的可穿戴蛋白忆阻器

【小结】

综上所述，通过简单的热和化学反应制造出了具有强物理柔性和优异的电性能的基于蛋白质的大面积纸基衬底。基于蛋白的记忆电阻器阵列集成在蛋白质基板上，显示出10⁴的电阻比，V_SET<2V，V_RESET>1.5V和在弯曲10⁴次后的保留时间>10⁴s。在施加电脉冲和光脉冲之后，可行地获得包含NOT、OR和AND的完整存储器逻辑块。

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

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