DeepTech深科技 2025-02-14 20:30 北京
近日，上海大学的张建华、赵婷婷团队开发了一种由壳聚糖季铵盐、聚乙烯醇和重氮感光剂组成的可光刻电解质材料体系，提出了一种基于光交联电解质的全光刻高密度生物电解质栅控突触晶体管阵列制造方法。
近日，上海大学的张建华、赵婷婷团队开发了一种由壳聚糖季铵盐、聚乙烯醇和重氮感光剂组成的可光刻电解质材料体系，提出了一种基于光交联电解质的全光刻高密度生物电解质栅控突触晶体管阵列制造方法。
图 | 赵婷婷（来源：赵婷婷）
重氮感光剂（DS，Diazo Sensitizer）结构中的不稳定重氮基团受到紫外光（UV，ultraviolet and visible spectrum）照射时，会光解产生反应中间体（苯基阳离子）、N₂ 和氯离子；聚乙烯醇（PVA，polyvinyl alcohol,vinylalcohol polymer）中的羟基与反应中间体结合形成醚键，并释放 H⁺，这一反应导致 PVA 转化为不溶于水的薄膜；而壳聚糖季铵盐（HACC，Chitosan Quaternary Ammonium Salt）和 PVA 之间形成的强分子间氢键同时又促进了混合交联。
在这个可光刻电解质体系中，PVA 的作用是与 DS 发生化学反应，导致 PVA 转化为不溶于水的物质。HACC 则起到双重作用：它与 PVA 形成混合交联，更重要的是，它弥补了 PVA 与 DS 反应过程中缺失的羟基。
这不仅实现了该电解质的光刻图案化，同时增强图案化电解质的电学性能，有效形成电双层，用以调节电解质突触晶体管的电导。这一创新方法成功制造出了每平方厘米包含 11846 个器件的高密度多模态高密度生物电解质栅控突触晶体管（BEGT，High-Density Bio-Electrolyte-Gated Synaptic Transistors）阵列。
本研究开发的光交联图案化电解质制备技术，为 BEGT 阵列的高密度可扩展稳定制造提供了可靠策略，不仅有效解决了高密度阵列器件的空间串扰问题，还提升了器件的柔性，为人工神经形态系统的发展提供了重要的技术支持。
（来源：Advanced Functional Materials）
赵婷婷表示，BEGT 阵列在构建神经形态计算架构方面展现出巨大潜力。然而，由于电解质的体离子导电性和对裂纹的高度敏感性，会导致阵列器件间的空间串扰，同时降低器件柔性，因此，电解质的图案化制备变得至关重要。光刻技术作为微电子制造的核心技术之一，能够制造亚微米级的高密度器件阵列，其高精度和高可靠性使其成为目前实现高密度图案化器件的首选方法。
然而，生物电解质材料因其对有机溶剂和 UV 的敏感性会导致材料在光刻过程中的退化，这会削弱材料的离子活性，进而影响器件的性能。因此，他们期望开发一种稳定且可靠的全光刻技术来制造可扩展的高密度 BEGT 阵列。
该课题组先前有一个小工作是开发了基于电解质材料的多栅突触晶体管，利用电解质的体离子导电性和栅极的空间位置不同，获得在相同电压条件下激发的后电流显著差异，实现对位置信息进行编码与分类。但这些工作都是针对的是单个人工突触器件。
他们十分清楚生物体是依靠神经元的相互连接组成的神经网络，来实现对外界环境的感知与认知。因此，制备高密度突触晶体管阵列是在硬件层面上构建人工神经形态计算的关键。
如果利用电解质突触晶体管制作突触晶体管阵列，由于电解质的体离子导电特性，若不对电解质进行图案化处理，那么在对阵列中某一电解质突触晶体管进行电导调控时，周围器件的电导必定受到影响。因此必须对电解质进行图案化处理，从而隔绝由电解质体离子导电特性引起的器件相互之间的串扰。
（来源：Advanced Functional Materials）
在明确制备高密度低串扰电解质突触晶体管阵列的关键是电解质的图案化制备后，他们考虑了多种制备工艺，包括丝网印刷、喷墨打印等，但这些技术所制备的器件密度有限（<1000 个器件每平方厘米）。
光刻技术作为微电子制造的核心技术之一，能够制造亚微米级的高密度器件阵列，其高精度和高可靠性使其成为目前实现高密度图案化器件的首选方法。在传统的晶体管阵列制备过程中，光刻工艺一直是有效的工艺手段，他们希望电解质也具备能由光刻工艺制备的能力，从而避免器件的空间串扰。
他们在先前的工作中积累了大量关于生物电解质突触晶体管制备的经验，生物电解质具有高比电容、环境友好、灵活制造等特点。然而，生物电解质材料因其对有机溶剂和 UV 的敏感性可能导致材料在光刻过程中的退化，这会削弱材料的离子活性，进而影响器件的性能。
在这个工作中，他们开发了一种由 HACC、PVA 和 DS 组成的可兼容传统光刻工艺的电解质图案化制备方法。DS 结构中的重氮基团本身是不稳定的，受到 UV 光照射时，DS 发生光解，产生反应中间体（苯基阳离子）、N₂ 和氯离子。然后，PVA 中的羟基与反应中间体结合形成醚键，并释放 H⁺。这一反应导致 PVA 转化为不溶于水的薄膜。HACC 和 PVA 之间形成的强分子间氢键能够促进混合交联。
在这个可光刻图案化电解质体系中，PVA 的作用是与 DS 发生化学反应，导致 PVA 转化为不溶于水的物质。HACC 则起到双重作用：它与 PVA 形成混合交联，更重要的是，它弥补了 PVA 与 DS 反应过程中缺失的羟基。这可以增强图案化电解质的电学性能，从而有效形成电双层，调节电解质突触晶体管的电导。
日前，相关论文以《用于多模态神经形态计算的高密度、无串扰、柔性电解质栅极突触晶体管阵列的全光刻技术》（High-Density, Crosstalk-Free, Flexible Electrolyte-Gated Synaptic Transistors Array via All-Photolithography for Multimodal Neuromorphic Computing）为题发在 Advanced Functional Materials[1]。Li Yuan 是第一作者，上海大学的赵婷婷副教授和张建华教授担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）
在未来的研究中，他们的目标是提高这些图案电解质的性能，通过改进电解质的化学成分和结构，提升其离子导电性和稳定性。并将研究电解质突触晶体管的长期记忆机制，提高突触晶体管中电解质材料的电化学活性和离子渗透率，从而开发具有长存储时间的高密度突触晶体管阵列，以及确保阵列中每个突触晶体管的性能一致，减少器件间的差异，提高整体阵列的可靠性。
然后，他们将进一步提高突触晶体管阵列的柔性，从而扩展其应用范围，适用于如植入式脑机接口、电子皮肤以及智能纺织品等领域，促进柔性神经形态计算技术的发展。最终，他们希望利用电解质突触晶体管阵列从硬件层面上实现类脑计算系统，
通过开发神经形态芯片，将其用于需要实时处理和学习的应用场景比如机器人和自动驾驶等领域。参考资料：
1.Yuan,L. et al. High-Density, Crosstalk-Free, Flexible Electrolyte-Gated Synaptic Transistors Array via All-Photolithography for Multimodal Neuromorphic Computing. Advanced Functional Materials(2025).
https://doi.org/10.1002/adfm.202418052
运营/排版：何晨龙
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