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仿生納米流體離子電子器件：集成光感受器與光突觸功能
發布時間：2026-06-16 瀏覽量：113
1. 文章信息
標題：Bioinspired nanofluidic iontronic device with integrated photoreceptor and photosynaptic functions
中文標題：仿生納米流體離子電子器件：集成光感受器與光突觸功能
頁碼： 3523
DOI：10.1038/s41467-026-70337-y
2. 文章鏈接
https://doi.org/10.1038/s41467-026-70337-y
3. 期刊信息
期刊名：Nature Communications
ISSN： 2041-1723
2025年影響因子： 15.7
分區信息： 中科院一區Top；JCR分區（Q1）
涉及研究方向：仿生材料化學、離子電子器件、神經形態計算
4. 作者信息：第一作者是 劉文超；通訊作者為肖凱 ；
5.產品型號：CEL-S500-T5、CEL-LED100HA;
一、研究背景
視覺系統是生物體獲取外界信息的主要途徑，約80%的外部信息通過視覺處理。視網膜中的光感受器細胞和光突觸層是實現視覺功能的核心結構：光感受器通過光敏蛋白通道將光信號轉化為電信號，調節離子跨膜運輸，從而產生膜超極化；光突觸則負責信息的存儲與傳遞。受此啟發，研究人員嘗試利用固態光電器件模擬視覺功能，但現有器件多依賴半導體中的電子-空穴分離機制，難以真正模擬生物中離子介導的信號傳遞過程。此外，現有光控離子傳輸系統響應速度慢，難以實現對高頻視覺信號的快速響應。因此，開發一種能夠在一個納米流體器件中同時實現光感受器與光突觸功能，并具備極性可切換特性的仿生視覺系統，是當前研究的難點與熱點。
圖1 仿生設計理念。a 人類視覺系統示意圖；b 光門控離子通道作為光感受器的開關狀態示意圖；c 光突觸信號傳遞示意圖；d CNT/MoS?納米流體離子電子器件的工作機制。
二、結果與討論
1．實驗方法與機理驗證
本研究設計了一種基于碳納米管與二硫化鉬（CNT/MoS?）異質結構的納米流體離子電子器件，模擬生物視覺功能。器件的核心結構為一維同軸異質納米管，采用兩步法合成：首先通過化學氣相沉積（CVD）在多孔陽極氧化鋁（AAO）模板中生長CNT，隨后通過熱分解(NH?)?MoS?前驅體在CNT內部形成MoS?層。所得到的CNT/MoS?異質結構具有約90 nm的孔徑，MoS?層厚約5.9 nm，CNT層厚約11.6 nm。
為了驗證器件的光響應機制，研究團隊進行了系統的理論模擬與實驗表征。理論方面，采用密度泛函理論（DFT）與時變密度泛函理論（TD-DFT）計算了異質界面處的電荷分布與激發態電子-空穴分離行為；同時建立了基于Poisson-Nernst-Planck（PNP）方程的有限元模型，模擬光電壓驅動下的離子傳輸過程。實驗表征方面，使用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、拉曼光譜、X射線光電子能譜（XPS）、X射線衍射（XRD）等手段確認了異質結構的形貌與組成；通過開爾文探針力顯微鏡（KPFM）測量了光電壓（E_photo）的演化；并通過雙電極和三電極電化學系統分別測試了器件在無偏壓和有偏壓條件下的離子光電流響應。
DFT計算表明，在CNT/MoS?異質界面處，MoS?作為電子供體，將電子轉移到CNT內表面，形成內建電勢，有助于分離光生電子-空穴對。在激發態下，電子主要局域在CNT上，而空穴則集中在MoS?的鉬原子上，形成方向性電子轉移。KPFM測量進一步驗證了光電壓的可逆生成與調控，SPV在0.1–0.5 mW/cm2光強下從3.8 mV線性增至7.7 mV。PNP模擬顯示，在單側光照下，異質結構產生非對稱光電壓，驅動K?離子在納米管內遷移，形成離子光電流。離子濃度分布模擬顯示，光照側K?顯著富集，Cl?相對貧乏，產生濃度極化現象。該離子選擇性源于異質結構的負表面電荷。
圖2 納米管異質結構及光控離子傳輸機制。 a CNT/MoS?納米管異質結構的SEM、TEM及元素分布圖；b 基態下異質界面處電子重新分布的靜電勢差；c 激發態下異質界面的電子-空穴分布；d 光照開/關過程中接觸電位差（CPD）的變化；e 表面光電壓（SPV）隨光功率密度的線性增強；f–h 單側光照下光生電位、離子電流及離子濃度分布的有限元模擬結果。
2. 光感受器功能
在無偏壓條件下，器件模擬光感受器功能。與純MoS?納米管（孔徑35 nm和90 nm）相比，CNT/MoS?異質結構表現出最佳的離子光電流增強效果，分別是前兩者的1.28倍和6.42倍。光電流隨光功率密度（10–94 mW/cm2）增加而上升（從59.3 nA增至225.9 nA），隨波長增加而下降，在365 nm和405 nm處響應最強，與異質結構的吸收譜一致。器件的光響應度為78.4 μA/W，響應速度為3.8秒，信噪比為19.56，能量效率為0.694×10??%。此外，離子電流隨KCl濃度升高而增強，二價陽離子（Mg2?、Ca2?）比一價離子（K?、Na?）產生更強的光電流，歸因于更強的靜電耦合作用。
圖3 人工納米流體離子電子器件的光感受器功能。a 測量裝置示意圖；b 三種不同納米結構在交替光照下的循環離子電流對比；c 離子電流隨入射光波長的變化（365–660 nm）；d 離子電流隨光功率密度和電解質濃度的變化。
3. 光突觸功能
在0.5 V偏壓下，器件模擬光突觸功能。離子光電流隨光功率密度（1.5–6.1 μA）和偏壓（1.0–15.7 μA）增大而增強。在雙脈沖刺激下，器件表現出典型的雙脈沖易化（PPF）行為，PPF指數隨脈沖間隔增加呈雙指數衰減，模擬了生物突觸的短時可塑性（STP）。通過增加光脈沖數量（10–80次）或延長脈沖寬度（1–20秒），器件實現了從STP向長時程可塑性（LTP）的轉變。在頻率依賴實驗中，刺激頻率越高（0.05–1.00 Hz），EPSC增強越顯著。在“學習-遺忘-再學習”實驗中，器件表現出經驗依賴的學習行為：首次學習需40次訓練達到100%響應，第二次僅需20次，第三次只需10次，模擬了生物記憶鞏固過程。
圖4 人工納米流體離子電子器件的光突觸功能。a 三端測量裝置示意圖；b 不同光功率密度下的離子電流響應（固定偏壓0.5 V）；c 不同偏壓下的離子電流響應（固定光強94 mW/cm2）；d 雙脈沖易化（PPF）效應；e PPF指數隨脈沖間隔的變化；f 不同脈沖數量（10–80次）誘導的EPSC；g 不同脈沖寬度（1–20 s）誘導的EPSC；h 不同脈沖頻率（0.05–1 Hz）誘導的EPSC；i 經驗依賴性學習行為（三次訓練周期）。
4. 應用展示：方向識別與指紋檢測
將三個器件以120°間隔布置，分別在0.1 V、0.3 V和0.5 V偏壓下工作，構成方向敏感檢測陣列。實驗表明，不同光照角度（0°–360°）下，EPSC響應呈極性分布，且隨偏壓和光強增強而增強。利用三層人工神經網絡（輸入層為時間電流信號，隱藏層16個神經元，輸出層12個方向），模型在40個訓練周期后達到98.5%的方向識別準確率。此外，將器件用于指紋圖像識別，采用卷積神經網絡（CNN），90°光照下識別準確率最高達96.13%，且在多個角度下（0°–330°）均保持95%以上的識別準確率。
圖5 基于納米流體離子電子器件的方向識別應用。a 仿生視覺系統與人工神經網絡（ANN）示意圖；b 不同光照角度下的EPSC隨時間響應；c 極坐標下EPSC隨角度和偏壓的變化；d EPSC隨角度和光強的變化；e 訓練過程中識別準確率的變化（最高98.5%）；f 測試集的混淆矩陣；g 指紋識別準確率（最高96.13%）；h 不同角度下識別準確率的穩定性（>95%）。
結論
本研究成功開發了一種基于CNT/MoS?異質結構納米管的仿生納米流體離子電子器件，能夠在單一器件中集成光感受器與光突觸雙重功能。其工作機制為“光刺激-電信號-電子/離子耦合-離子信號”的轉導過程，源于異質界面處光生電子-空穴分離誘導的非對稱光電壓驅動離子傳輸。在無偏壓下，器件實現快速光響應；在偏壓下，表現出可調突觸可塑性。該器件在方向識別和指紋檢測中展現出高精度與強魯棒性，具備在機器視覺、仿生視網膜等領域的應用潛力。該研究為構建高性能、多功能的人工視覺系統提供了新的思路與材料平臺。