[发明专利]一种基于丝素纳米纤维带制备生物忆阻器的方法

说明书

本发明涉及一种基于丝素纳米纤维带制备生物忆阻器的方法，利用线棒涂布机将丝素纳米纤维带悬浮液在导电层上涂膜得到丝素蛋白膜后，在丝素蛋白膜上制备电极层制得生物忆阻器，其中，丝素纳米纤维带的厚度小于等于0.4nm，结晶度大于等于40％。本发明的一种基于丝素纳米纤维带制备生物忆阻器的方法，简单易操作，可有效制备出灵敏度高、工作电压低、信号传输稳定的生物忆阻器并具有神经突触仿生的特性，能够从减少漏电通路、规避无效缺陷两方面来显著提升器件的性能：启动电压小于1.5V，开关比大于10⁷，数据保持时间大于10⁴s，可擦写次数达1000～10⁵次；该方法适用范围广，适合大规模生产，应用前景较好。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种基于丝素纳米纤维带制备生物忆阻器的方法。

背景技术

忆阻器是一种由电子导体/绝缘体/电子导体构成的具有记忆功能的非线性电阻器件，其电阻值随流经器件的电荷量的变化而变化，并能在断电状态保持现有的电阻值。上述结构特征及忆阻特性与神经突触的结构及其利用钾离子和钠离子通道的电导变化产生兴奋、传递信息的工作机制极为类似，是仿生构建神经突触的理想器件。然而，利用忆阻器仿生模拟神经突触的关键在于开发低功耗、高灵敏、稳定传输信号的忆阻功能层，即中间绝缘体。迄今为止，已发现具有忆阻性质的材料主要有无机材料(包括金属氧化物和硫系化合物等)、有机化合物及多糖、蛋白质等生物材料。其中，无机或有机合成材料存在难以降解、生物相容性差等问题，限制了其在生物电子、可植入器件等方面的应用；生物材料基忆阻器因具有良好的生物相容性、生物可降解性、可持续性、绿色环保等，成为新型的神经突触仿生构筑材料。而来源于天然蚕丝的丝素蛋白更是兼具力学性能优异、质轻、价廉等优点，成为有望获得实际应用的生物忆阻器构筑材料。目前丝素蛋白虽已广泛用于构建晶体管、传感器等电子器件，但采用丝素蛋白构建忆阻器的研究尚处于起步阶段。

文献1(Adv.Funct.Mater.,2012(22),4493-4499)首次证明了丝素蛋白膜在基于ITO(氧化铟锡)、铝的夹层装置中表现出非易失性的电阻切换行为，高低电阻比值为10，保留时间为10³s，该文献提出丝素蛋白的氧化和还原过程所引起的载流子捕获/去除是造成电阻转换记忆效应的主要原因。

文献2(Adv.Funct.Mater.,2015(25),3825-3831)制备的丝素蛋白基忆阻器件中，通过调节限制电流可实现两种类型的电阻开关行为。对器件施加不同的扫描电压，该设备可以在低电阻状态与高电阻状态来回切换，基于该电阻切换方式可实现电荷信息存储和电阻开关两种应用模式，且显示出随机存取存储器的高电阻ON/OFF比(约10⁷)和较长保持时间(4500s)。该文献作者随后制备了基于丝素蛋白的超轻量型忆阻器和透明的瞬态生物忆阻器，均具有较好的性能，表明丝素蛋白基忆阻器具有广阔的应用前景。

虽然上述纯丝素蛋白忆阻器已经取得了一定的进展，但其忆阻性能仍有很大提升空间，如上述丝素蛋白基忆阻器都仅能从高阻态到低阻态中切换一次。随着材料加工与纳米技术的发展，有关丝素蛋白材料功能化的研究越来越深入，研究者们也通过不同层次的功能化，使丝素蛋白在保持自身优势的同时兼具其他优异的性能。

文献3(Nanotechnology,2013(24),345202)制备了丝素蛋白复合忆阻器，将金纳米粒子掺入丝素蛋白中，所得忆阻器具备双极性，且ON/OFF比大于10⁶，其电阻切换的机理为导电丝的形成与断裂，但器件的耐久性较差，仅能切换10次。