疼痛感知伤害感受器（PPN）是识别有害刺激最基本感觉神经元，对感知外界伤害刺激起着至关重要的作用，那么有没有可能使得这种疼痛识别在人工智能光电设备中实现呢？近日，中南大学物理与电子学院蒋杰、何军，与南京大学万青（共同通讯）合作，以海藻酸钠生物离子聚合物为栅介质，设计了一种垂直沟道仅为3 nm的可见光波段全透明In-Sn-O (ITO) 晶体管。这一垂直结构的类脑神经形态晶体管可以模拟出伤害感受器的重要特征。

在现实世界中，PPN可以使人体准确感知异常和危险的情况并使人体做出适当的反应。敏化可调的伤害感受器（SRN）可以使过度兴奋的中枢神经正常化，从而有效地帮助疼痛敏感的病人减少疼痛感觉。近年来，三端晶体管由于其沟道电导可以有效被栅极调控的优势，从而为模拟神经元的行为提供了一个高效可行的硬件平台。具有声音定位、压力感觉、视觉识别的一系列人工智能三端晶体管电子器件已经得到了广泛地研究。这些工作使得人造智能电子器件向前迈出了重要的一步。尽管这些工作非常有前景，但是具有神经形态的微电子器件仍然需要进一步开发疼痛感知和疼痛敏化的调节能力。这种疼痛感知和疼痛调节能力对于人工智能系统来说非常重要，因为这些功能可以使得智能设备对外界的改变做出准确地反应。因此，利用新兴的纳米器件从硬件上实现PPN和SRN，可以使智能光电设备根据不同的目的对外界刺激产生不同的敏感性，从而大大提高智能机器设备的效率。

针对这一问题，该团队利用海藻酸钠生物聚合物为栅介质，研制了一种垂直沟道仅为3 nm的可见光波段全透明的垂直ITO晶体管。这种垂直的有机无机混合晶体管不仅在超短沟道技术上实现了重要突破，并且在低电压下展现了一个高的电流密度。更重要的是，由于海藻酸钠中存在的可移动离子而形成的双电层效应，使得这种类脑神经晶体管可以成功模拟伤害感受器的一系列重要特征，比如：疼痛阈值、对先前损伤的记忆、疼痛敏化/脱敏等。这种通过栅压来调控离子迁移的可逆过程，与生物中通过离子浓度来精确调控信息的处理与传递属于同一个物理机制。与此同时，垂直晶体管的沟道长度对应其沟道厚度，利用这一特点通过巧妙地调节垂直沟道厚度成功实现了SRN这一重要的痛觉神经功能。SRN这一功能的实现，可以根据不同的目的赋予人工智能设备对外界刺激不同的敏感特性，从而可以大大提高人工智能电子器件的效率。因此，该器件为下一代高性能智能传感器件、人工智能仿生纳米光电器件与系统的集成提供了广阔的发展前景。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是中南大学物理与电子学院2017级硕士研究生冯光迪。

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Sub-10 nm Vertical Organic/Inorganic Hybrid Transistor for Pain-Perceptual and Sensitization-Regulated Nociceptor Emulation

Guangdi Feng, Jie Jiang,* Yuhang Zhao, Shitan Wang, Biao Liu, Kai Yin, Dongmei Niu, Xiaohui Li, Yiqin Chen, Huigao Duan, Junliang Yang, Jun He,* Yongli Gao, Qing Wan*

Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201906171

蒋杰博士简介

蒋杰，中南大学物理与电子学院副教授。2012年于湖南大学（中科院宁波材料所联合培养）取得博士学位，曾先后在新加坡南阳理工大学和美国奥本大学从事博后科研工作，2015年6月回国开展科研工作。

研究领域是新型神经形态材料与相关信息器件的应用研究。目前以第一作者和通讯作者身份在《Advanced Materials》、《Small》、《ACS Applied Materials & Interface》、《Nanoscale》、《Applied Physics Letters》、《IEEE Electron Device Letters 》等杂志上发表SCI论文33篇。研究成果多次被《NPG Asia Materials》、《Material Views-China》等国际传媒作为“Research Highlight”新闻报道。

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