CN107425119B - 一种有机生物相容性阻变神经仿生器件及制备方法和应用 - Google Patents
一种有机生物相容性阻变神经仿生器件及制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件，包括ITO玻璃衬底、在ITO玻璃衬底的ITO膜上依次生长有复合有机蛋白膜和Ag电极膜；复合有机蛋白膜为掺银的羊毛角蛋白和蚕丝蛋白的复合膜。其制备方法为：a）制备羊毛角蛋白溶液；b）制备蚕丝蛋白溶液；c）制备掺银的羊毛角蛋白溶液；d）制备复合有机蛋白溶液；e）清洗衬底；f）复合有机蛋白膜的形成；g）生长Ag电极膜。此外，还公开了该器件的用途。本发明通过特定方法制备的器件呈现出较为稳定的阻值变化，高电阻值和低电阻值之间相差较大，开关电压比较集中，且具有模拟神经的功能，工艺简单，易于操作，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及生物神经突触功能器件及其制备方法，具体地说是一种具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件及其制备方法和应用。
背景技术
随着经济和技术的发展，电子产品已经成为人们生活中不可或缺的使用工具，与此同时，人们对电子产品的依赖性也与日俱增，对更加智能、稳定、价格低廉的电子产品有着较高的期望值。
阻变存储器作为下一代有潜力的逻辑存储及运算存储器，以其结构简单、优秀的可缩小性、读写速度快、功耗低等优势，即将成为未来非易失性存储器的有力竞争者，目前已引起了微电子产业界广泛关注及积极研究的课题。一直以来人们想要研究能实现人脑功能的产品，阻变器件阻值能够连续可调节，与神经突触相似，从而将阻变器件引入神经系统，而将阻变存储器运用在神经系统方面就需要器件具备很好的神经仿生特性和生物相容性，仿生技术近几年发展迅速，而要实现生物相容（生命体组织对非活性材料产生反应的一种性能，一般指材料和宿主之间的相容性）和神经的仿生却十分困难。此外，由于电子元器件的老化及功能局限性，电子产品淘汰的越来越多，而过期而废弃的产品又不能及时的回收，所以电子垃圾污染将成为环境污染的重要因素，因此，寻找一种新的材料和技术开发绿色阻变存储器成为行业内技术人员积极探索的课题。目前，有部分电子器件也考虑到了环保的问题，故采用蛋白类的作为阻变层材料，但是发现制备的器件虽然减轻了重量且提高了环保性能，但是发现其膜层厚度大，不利于半导体大规模集成，而且存在开关电压较高、稳定性能较差等缺陷。
发明内容
本发明的目的就是提供一种具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件及其制备方法和应用，以解决现有器件存在神经仿生困难、生物相容性差、无法降解、环保性能较差、开关电压高、稳定性差、功耗高的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件，包括ITO玻璃衬底、在ITO玻璃衬底的ITO膜上依次生长有复合有机蛋白膜和Ag电极膜；所述复合有机蛋白膜为掺银的羊毛角蛋白和蚕丝蛋白的复合膜；所述复合有机蛋白膜的厚度为5-50nm。
所述Ag电极膜为均布在所述复合有机蛋白膜上的直径为0.05-0.3mm、厚度为50-200nm的圆柱体。
所述ITO玻璃衬底为厚度为0.5-3mm的长有ITO膜的玻璃衬底，其中ITO膜的厚度为50-80nm。本发明中ITO玻璃衬底为市售商品。
所述复合有机蛋白膜的制备方法为：采用浸渍提拉方法使复合有机蛋白溶液粘在ITO玻璃衬底的ITO膜上，置于真空干燥器中真空干燥得到；所述复合有机蛋白溶液通过以下步骤制备：
A、制备羊毛角蛋白溶液：将干净的羊毛置于混合水解液中，在30-70℃下搅动水解8-15h，过滤，将母液透析3-4天，将透析液在40-80℃浓缩8h，得质量比浓度为1-30%的羊毛角蛋白溶液；所述混合水解液为每100mL中含有4mol的尿素、0.1mol的Na2S和0.02mol的SDS的混合水溶液；
B、制备蚕丝蛋白溶液：将蚕茧置于摩尔浓度为0.015-0.025mol/L的NaHCO3溶液中煮沸10-50min，用水冲洗去除丝胶蛋白，将剩余的丝纤维溶解于9.0-9.5mol/L的LiBr溶液中，55-65℃保持2-6h，再用透析管在水中透析提取物，得质量比浓度为3-30%的蚕丝蛋白溶液；
C、制备掺银的羊毛角蛋白溶液：将9-11mmol/L的HAgCl4溶液与质量比浓度为5％的羊毛角蛋白溶液混合2-3min后，再加入0.8-1.2mol/L 的NaOH溶液混匀，将其置于20-50℃下放置8-15小时，得掺银的羊毛角蛋白溶液，所述HAgCl4溶液、羊毛角蛋白溶液和NaOH溶液的体积比为3-8mL:3-8mL:0.3-0.8mL；
D、制备复合有机蛋白溶液：将步骤B制备的蚕丝蛋白溶液和步骤C制备的掺银的羊毛角蛋白溶液按体积比为1-4:4-16混合，得复合有机蛋白溶液。
本发明还提供了一种具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件的制备方法，包括以下步骤：
（a）制备羊毛角蛋白溶液：将干净的羊毛置于混合水解液中，在30-70℃下搅动水解8-15h，过滤，将母液透析3-4天，将透析液在40-80℃浓缩8h，得质量比浓度为1-30%的羊毛角蛋白溶液；所述混合水解液为每100mL中含有4mol的尿素、0.1mol的Na2S和0.02mol的十二烷基硫酸钠（SDS）的混合水溶液；
（b）制备蚕丝蛋白溶液：将茧置于摩尔浓度为0.015-0.025mol/L的NaHCO3溶液中煮沸10-50min，用水冲洗去除丝胶蛋白，将剩余的丝纤维溶解于9.0-9.5mol/L的LiBr溶液中，55-65℃保持2-6h，再用透析管在水中透析提取物，得质量比浓度为3-30%的蚕丝蛋白溶液；
（c）制备掺银的羊毛角蛋白溶液：将9-11mmol/L的HAgCl4溶液与质量比浓度为5％的羊毛角蛋白溶液混合2-3min后，再加入0.8-1.2mol/L 的NaOH溶液混匀，将其置于20-50℃下放置8-15小时，得掺银的羊毛角蛋白溶液，所述HAgCl4溶液、羊毛角蛋白溶液和NaOH溶液的体积比为3-8mL:3-8mL:0.3-0.8mL；
（d）制备复合有机蛋白溶液：将步骤（b）制备的蚕丝蛋白溶液和步骤（c）制备的掺银的羊毛角蛋白溶液按体积比为1-4:4-16混合，得复合有机蛋白溶液；
（e）清洗衬底：将长有ITO膜的玻璃衬底依次在丙酮、酒精和去离子水中分别用超声波清洗，取出用N2吹干，得洁净的ITO玻璃衬底；
（f）复合有机蛋白膜的形成：将洁净的ITO玻璃衬底放入所述复合有机蛋白溶液中，通过浸渍提拉方法缓慢将玻璃衬底拿出，使所述复合有机蛋白溶液粘在ITO玻璃衬底的ITO膜上，置于真空干燥器中真空干燥，干燥温度20℃-40℃，干燥时间在6小时以上，得复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底，复合有机蛋白膜的厚度为5-50nm；
（g）生长银电极：将Ag靶材固定在磁控溅射制膜系统生长室的靶台上，将步骤（f）制得的复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底的复合有机蛋白膜上放置掩膜版，掩膜版上均布有孔径为0.05-0.3mm的圆孔，再固定到生长室的衬底台上，将生长室抽真空至5×10-4-5×10- 5Pa后通入流量为5-75sccm的氩气，使生长室内气压维持在0.1-5 Pa，磁控溅射功率：8-12W，控制Ag电极膜的生长速率为5-40 nm/min，得到的Ag电极膜的厚度为50-200nm；即得Ag电极膜/复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底结构的具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件。
步骤（f）中所述浸渍提拉方法是一种广泛应用于科研方面薄膜制备的方法，具体是将ITO玻璃衬底浸渍在事先配制好的复合有机蛋白溶液中，然后利用机械臂或其他常规的方法将ITO玻璃衬底连同滞留在ITO玻璃衬底上的复合有机蛋白溶液一起以慢慢提出液面。
通过实验检测表明所述方法制备的具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件其具有的性能能够在制备神经突触仿生器件中得到应用。
桑蚕丝产自家蚕吐的丝，是熟蚕结茧时分泌丝液凝固而成的连续长纤维，也称“天然丝”,很多生产企业又称为“蚕丝棉”。桑蚕丝是制作蚕丝被的最佳原料，桑蚕丝做成的蚕丝被不仅有柔软贴身、保暖透气，还有绿色健康的特性，而且蚕丝的吸湿性是纯棉的1.5倍，是羊毛的1.8倍，所以能保持皮肤水分的平衡，对皮肤干燥的老年人有很好的疗效。桑蚕丝不仅是丝绸织造最主要的原料，而且还可用于制成人造血管。蚕丝与人体的角质和胶原同为蛋白质，结构十分相近，因此，具有极好的人体生物相容性。桑蚕丝人造血管在体内不会引起过敏或致癌作用，还可以与活体血肉相连，长成与真血管一样的外壁和内膜。此外，桑蚕丝还可开发成许多高科技副产品。将桑蚕丝脱胶、溶解、透析提纯后，可制成纯净的丝素溶液，再将丝素溶液置于塑料模具中，经烘干制成薄膜，最后再经Co60辐射消毒形成“丝素膜”。该膜专门用于烧伤创面覆面，有助于创面愈合，也称为“人工皮肤”。基于桑蚕丝取自自然生物桑蚕，成本低廉，制备工艺简单，具有生物相容性，蚕丝中的蚕丝蛋白可以被蛋白酶消化，可降解等优点，故本发明将桑蚕丝作为制备阻变神经仿生器件的阻变层的原料之一，即通过将桑蚕丝特定条件下处理为蚕丝蛋白溶液，再与制备的掺银的羊毛角蛋白溶液按特定比例混合处理，通过浸渍提拉方法在ITO玻璃衬底上生长一层特定厚度的掺银的复合有机蛋白膜，然后采用磁控溅射的方法在复合有机蛋白膜上生长Ag电极膜，得到了结构新颖的阻变神经仿生器件。通过实验证明，本发明制备的阻变神经仿生器件具有以下良好的开关性能：（1）本发明制备的特定结构的器件在直流电压连续扫描激励下表现出稳定的非易失电阻状态；（2）具有良好的重复特性，在重复的120次中，高低阻态明显，高阻态和低阻态均分布集中；（3）表现了良好的神经学习尖锋时序依赖突触可塑性（STDP）的学习能力。
本发明通过特定原料及方法制备的具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件呈现出较为稳定的阻值变化，高电阻值和低电阻值之间相差较大，开关电压比较集中，且具有模拟神经的功能，克服了现有器件存在神经仿生困难、生物相容性差、稳定性差、开关电压高、功耗高的缺陷，同时也解决现有类似器件无法降解，造成电子垃圾污染的问题，其制备方法简单，便于操作，易于工业化生产，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1是实施例2制备的器件的结构示意图。
图2是实施例2制备的器件的电压—电流特性图。
图3是对比例1制备的器件的电压—电流特性图。
图4是实施例2制备的器件的电阻累积概率分布图。
图5是对比例1制备的器件的电阻累积概率分布图。
图6是实施例2制备的器件的神经STDP功能图。
具体实施方式
下面实施例用于进一步详细说明本发明，但不以任何形式限制本发明。
实施例1
如图1所述，一种具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件，其结构从下到上依次包括ITO玻璃衬底1，ITO玻璃衬底1的ITO膜上生长的复合有机蛋白膜2，以及在复合有机蛋白膜2上生长的Ag电极膜3。
其ITO玻璃衬底1的厚度为0.5-3mm、长有ITO膜的玻璃衬底，其中ITO膜的厚度为50-80nm，属于市售商品。
其复合有机蛋白膜为掺银的羊毛角蛋白和蚕丝蛋白的复合膜，厚度为5-50nm；其制备方法为：采用浸渍提拉方法使复合有机蛋白溶液粘在ITO玻璃衬底的ITO膜上，置于真空干燥器中真空干燥得到；为制得不同厚度的复合有机蛋白膜可以通过多次浸渍提拉方法实现，即通过多次浸渍—提拉—干燥重复来达到较厚的膜层。
所述复合有机蛋白溶液通过以下步骤制备：
A、制备羊毛角蛋白溶液：将干净的羊毛置于混合水解液中，在30-70℃下搅动水解8-15h，过滤，将母液透析3-4天，将透析液在40-80℃浓缩8h，得质量比浓度为1-30%的羊毛角蛋白溶液；所述混合水解液为每100mL中含有4mol的尿素、0.1mol的Na2S和0.02mol的SDS的混合水溶液；
B、制备蚕丝蛋白溶液：将蚕茧置于摩尔浓度为0.015-0.025mol/L的NaHCO3溶液中煮沸10-50min，用水冲洗去除丝胶蛋白，将剩余的丝纤维溶解于9.0-9.5mol/L的LiBr溶液中，55-65℃保持2-6h，再用透析管在水中透析提取物，得质量比浓度为3-30%的蚕丝蛋白溶液；
C、制备掺银的羊毛角蛋白溶液：将9-11mmol/L的HAgCl4溶液与质量比浓度为5％的羊毛角蛋白溶液混合2-3min后，再加入0.8-1.2mol/L 的NaOH溶液混匀，将其置于20-50℃下放置8-15小时，得掺银的羊毛角蛋白溶液，所述HAgCl4溶液、羊毛角蛋白溶液和NaOH溶液的体积比为3-8mL:3-8mL:0.3-0.8mL；
D、制备复合有机蛋白溶液：将步骤B制备的蚕丝蛋白溶液和步骤C制备的掺银的羊毛角蛋白溶液按体积比为1-4:4-16混合，得复合有机蛋白溶液。
其Ag电极膜3的厚度为50-200nm。
上述阻变神经仿生器件可以通过调整以下方法中不同的工艺参数而制的：
（1）取羊毛预先处理干净，将干净的羊毛1-30g放入100mL的混合水解液中，在30-70℃下搅动水解8-15h，用真空吸滤机过滤，将过滤的母液通过透析袋在超纯水中透析3-4天，将透析液在40-80℃浓缩8h，得质量比浓度为1-30%的羊毛角蛋白溶液，可以通过常规技术对所制得的羊毛角蛋白溶液进行浓缩或稀释成所需质量比浓度的溶液，置于4℃环境中备用；其中混合水解液中含有4mol的尿素、0.1mol的Na2S以及0.02mol的SDS（十二烷基硫酸钠）的混合水溶液；
（2）将1-30g蚕茧置于100mL的0.02mol/L的NaHCO3溶液中，煮沸10-50min，用纯水冲洗以除去丝胶蛋白，将脱胶的丝纤维溶解于100mL的9.0-9.5mol/L的LiBr溶液中，55-65℃保持2-6h，再用透析管在水中透析提取物，得质量比浓度为3-30%的蚕丝蛋白溶液，可以通过常规技术对所制得的羊毛角蛋白溶液进行浓缩或稀释成所需质量比浓度的溶液，置于4℃环境中备用；
（3）将3-8mL的9-11mmol/L的HAgCl4溶液与3-8mL的质量比浓度为1-30%的羊毛角蛋白溶液混合2-3min后，再加入0.3-0.8mL的0.8-1.2mol/L 的NaOH溶液，混匀，将其置于20-50℃下放置8-15小时，得掺银的羊毛角蛋白溶液，置于4℃环境中备用；
（4）将步骤（2）制备的蚕丝蛋白溶液和步骤（3）制备的掺银的羊毛角蛋白溶液按体积比为1-4:4-16混合，得复合有机蛋白溶液，置于4℃环境中备用；
（5）将厚度为0.5-3mmITO玻璃衬底依次在丙酮、酒精和去离子水中分别用超声波清洗，取出用N2吹干，得洁净的ITO玻璃衬底；该ITO玻璃衬底中ITO膜的厚度为50-80nm；
（6）将洁净的ITO玻璃衬底放入步骤（4）制备的复合有机蛋白溶液中，浸泡2h，然后利用机械臂将ITO玻璃衬底连同滞留在ITO玻璃衬底上的复合有机蛋白溶液一起提出液面，置于20℃-40℃的真空中干燥6小时以上，在制备过程中，根据预制复合有机蛋白膜厚度的不同，可通过干燥—浸润—提拉—干燥多次重复，来实现不同厚度的复合有机蛋白膜，由此得到在ITO玻璃衬底上形成厚度为5-50nm的复合有机蛋白膜；得复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底；
（7）将Ag靶材（纯度99.99%，可通过市售途经得到）固定在磁控溅射制膜系统生长室的靶台上，将步骤（6）制得的复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底的复合有机蛋白膜上部放置一个银属制的掩膜版（孔径50-300nm），再固定到生长室的衬底台上进行磁控溅射，将生长室抽真空至5×10-4-5×10-5Pa后通入流量为5-75sccm的氩气，使生长室内气压维持在0.1-5 Pa，磁控溅射功率：8-12W，控制Ag电极膜的生长速率为5-40 nm/min，开始在复合有机蛋白膜上沉积厚度为50-200nm的Ag电极膜，即得结构为Ag电极膜/复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底的具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件。
实施例2
（1）取羊毛预先处理干净，将干净的羊毛5g放入100mL的混合水解液中，在50℃下搅动水解12h，用真空吸滤机过滤，将过滤的母液通过透析袋在超纯水中透析3天，将透析液在60℃浓缩8h，得质量比浓度为5%的羊毛角蛋白溶液，可以通过常规技术对所制得的羊毛角蛋白溶液进行浓缩或稀释成所需质量比浓度的溶液，置于4℃环境中备用；其中混合水解液中含有4mol的尿素、0.1mol的Na2S以及0.02mol的SDS（十二烷基硫酸钠）的混合水溶液；
（2）将10g茧置于100mL的0.02mol/L的NaHCO3溶液中，煮沸30min，用纯水冲洗以除去丝胶蛋白，将脱胶的丝纤维溶解于100mL的9.0-9.5mol/L的LiBr溶液中60℃保持4h，再用透析管在水中透析提取物，得质量比浓度为7.5%的蚕丝蛋白溶液，可以通过常规技术对所制得的羊毛角蛋白溶液进行浓缩或稀释成所需质量比浓度的溶液，置于4℃环境中备用；
（3）将5mL的10mmol/L的HAgCl4溶液与5mL的质量比浓度为2.5%的羊毛角蛋白溶液混合2min后，再加入0.5mL的1.0mol/L 的NaOH溶液，混匀，将其置于37℃下放置12小时，得掺银的羊毛角蛋白溶液，置于4℃环境中备用；
（4）将步骤（2）制备的蚕丝蛋白溶液和步骤（3）制备的掺银的羊毛角蛋白溶液按体积比为1:4混合，得复合有机蛋白溶液，置于4℃环境中备用；
（5）将厚度为1.1mm的ITO玻璃衬底依次在丙酮、酒精和去离子水中分别用超声波清洗，取出用N2吹干，得洁净的ITO玻璃衬底；该ITO玻璃衬底中ITO膜的厚度为70nm；
（6）将洁净的ITO玻璃衬底放入步骤（4）制备的复合有机蛋白溶液中，浸润2h，然后然后将ITO玻璃衬底连同滞留在ITO玻璃衬底上的复合有机蛋白溶液一起提出液面，置于真空干燥器中30℃干燥8h，干燥后再放入复合有机蛋白溶液中，再提出、干燥，重复10次，得厚度为25nm的复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底；
（7）将Ag靶材（纯度99.99%，可通过市售途经得到）固定在磁控溅射制膜系统生长室的靶台上，将步骤（6）制得的复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底的复合有机蛋白膜上部放置一个银属制的掩膜版（孔径50-300nm），再固定到生长室的衬底台上进行磁控溅射，将生长室抽真空至2×10-4Pa后通入流量为25sccm的氩气，使生长室内气压维持在3Pa，磁控溅射功率：10W，控制Ag电极膜的生长速率为20 nm/min，开始在复合有机蛋白膜上沉积厚度为70nm的Ag电极膜，即得结构为Ag电极膜/复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底的具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件。
对比例1 制备Ag电极膜/未掺Ag的复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底结构的器件
（1）选择羊毛5g预先处理干净，放入100mL的混合水解液中，在50℃下搅动水解12h，用真空吸滤机过滤，将过滤的母液通过透析袋在超纯水中透析2天，将透析液在60℃浓缩8h，得质量比浓度为1-30%的羊毛角蛋白溶液，可以通过常规技术对所制得的羊毛角蛋白溶液进行浓缩或稀释成所需质量比浓度的溶液，置于4℃环境中备用；置于4℃环境中备用；该混合水解液中含有4mol的尿素、0.1mol的Na2S以及0.02mol的SDS（十二烷基硫酸钠）的混合水溶液；
（2）将5g茧置于100mL的0.02mol/L的NaHCO3溶液中，煮沸30min，用纯水冲洗以除去丝胶蛋白，将脱胶的丝纤维溶解于100mL的9.3mol/L的LiBr溶液中，60℃保持4h，再用透析管在水中透析提取物，得质量比浓度为7.5%的蚕丝蛋白溶液，置于4℃环境中备用；
（3）将步骤（2）制备的蚕丝蛋白溶液和步骤（1）制备的羊毛角蛋白溶液按体积比为1:4混合，得未掺Ag的复合有机蛋白溶液，置于4℃环境中备用；
（4）将长有ITO膜的玻璃衬底依次在丙酮、酒精和去离子水中分别用超声波清洗，取出用N2吹干，得洁净的ITO玻璃衬底；该玻璃衬底厚度为1.1nm，ITO膜的厚度为70nm；
（5）复合有机蛋白膜的形成：将洁净的ITO玻璃衬底放入所述复合有机蛋白溶液中，浸泡2h，然后利用机械臂将ITO玻璃衬底连同滞留在ITO玻璃衬底上的复合有机蛋白溶液一起提出液面，置于30℃的真空中干燥8小时，干燥—浸润—提拉—干燥重复10次，得复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底，复合有机蛋白膜的厚度为25nm；
（6）将Ag靶材（纯度99.99%，可通过市售途经得到）固定在磁控溅射制膜系统生长室的靶台上，将步骤（5）制得的未掺Ag的复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底的复合有机蛋白膜上部放置一个银属制的掩膜版（孔径50-300nm），再固定到生长室的衬底台上进行磁控溅射，将生长室抽真空至2×10-4Pa后通入流量为25sccm的氩气，使生长室内气压维持在3Pa，磁控溅射功率：10W，控制Ag电极膜的生长速率为20 nm/min，开始在复合有机蛋白膜上沉积厚度为70nm的Ag电极膜，即得结构为Ag电极膜/未掺Ag的复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底的具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件。
实施例3 检测具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件的电压-电流特性
对实施例2和对比例1制备的器件的电压-电流进行测试，其结果见图2和图3，图中显示：器件的上电极膜（即Ag电极膜）上施加一个正电压[图2中箭头(1)]，当此电压达到一定阈值，器件的电流突然增大，意味着由高电阻态突然转变为低电阻态且保持在低阻态[图2中箭头(2)]，直至上电极膜上施加负电压的绝对值达到一定阈值之前，器件保持低阻状态[图2中箭头(3)]，当负电压绝对值超过阈值，器件由低电阻态逐渐转变为高电阻态，随着在上电极膜上施加的电压逐渐增大并变为正值[图2中箭头（4）]，器件逐渐回到高阻态。而通过图2和图3对比可知，本发明制备的器件的开关特性明显变好，器件性能变好；图2的打开电压明显低于图3，这说明掺入Ag的本发明制备的器件更加有利于制备小操作电压器件，从而有利于降低器件的功耗。
同时，图2详细地显示了本发明制备的器件对电压的响应，即加电压并同时测量响应电流随电压变化的情况。从图2中可以看出：曲线1（即对应箭头（1）的曲线部分）显示器件呈现高阻态（电阻在3×109欧姆量级）；响应电流呈现逐渐增大趋势，曲线2（即对应箭头2的曲线部分）显示器件变为低阻态（电阻为5×105欧姆量级），曲线3（即对应箭头3的曲线部分）显示器件仍保持在低阻态，当电压幅值达到0.3V，器件电阻由低阻逐渐增大到高阻，曲线4（即对应箭头4的曲线部分）显示器件回到高阻态。由此可知，该器件低阻态、高阻态转变中间有很多中间电阻状态，这便为了多值存储和神经突触模拟提供了条件。
实施例4 检测器件的高电阻状态、低电阻状态的重复特性
对实施例2和对比例1制备的器件的高电阻状态、低电阻状态的重复性进行测试，其测试结果如图4和图5所示，由图4可以看出该本发明制备的器件在直流电压连续扫描激励下表现出稳定的高、低电阻状态，重复次数高达120次。
实施例5 检测器件的神经突触模拟功能
对实施例2制备的器件的神经突触模拟功能进行了测试，其结果见图6，图6显示本发明制备的器件具有突触权重变化复合生物突触特性，表现了良好的神经学习尖锋时序依赖突触可塑性（STDP）的学习能力。
本领域的技术人员可以按照本发明提供的制备方法，通过常规技术手段调配其中的工艺参数均可得到本发明所公开的器件，并得到的器件的性能与本发明实施例2的性能相同或类似。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件，其特征在于，包括ITO玻璃衬底、在ITO玻璃衬底的ITO膜上依次生长有复合有机蛋白膜和Ag电极膜；所述复合有机蛋白膜为掺有银的羊毛角蛋白和蚕丝蛋白的复合膜；所述复合有机蛋白膜的厚度为5-50nm；
该器件在低阻态、高阻态转变中间有若干中间电阻状态，可用于多值存储和神经突触模拟；
所述复合有机蛋白膜的制备方法为：采用浸渍提拉方法使复合有机蛋白溶液粘在ITO玻璃衬底的ITO膜上，置于真空干燥器中真空干燥得到；所述复合有机蛋白溶液通过以下步骤制备：
A、制备羊毛角蛋白溶液：将干净的羊毛置于混合水解液中，在30-70℃下搅动水解8-15h，过滤，将母液透析3-4天，将透析液在40-80℃浓缩8h，得质量比浓度为1-30%的羊毛角蛋白溶液；所述混合水解液为每100mL中含有4mol的尿素、0.1mol的Na2S和0.02mol的SDS的混合水溶液；
B、制备蚕丝蛋白溶液：将蚕茧置于摩尔浓度为0.015-0.025mol/L的NaHCO3溶液中煮沸10-50min，用水冲洗去除丝胶蛋白，将剩余的丝纤维溶解于9.0-9.5mol/L的LiBr溶液中，55-65℃保持2-6h，再用透析管在水中透析提取物，得质量比浓度为3-30%的蚕丝蛋白溶液；
C、制备掺银的羊毛角蛋白溶液：将9-11mmol/L的HAgCl4溶液与质量比浓度为5％的羊毛角蛋白溶液混合2-3min后，再加入0.8-1.2mol/L 的NaOH溶液混匀，将其置于20-50℃下放置8-15小时，得掺银的羊毛角蛋白溶液，所述HAgCl4溶液、羊毛角蛋白溶液和NaOH溶液的体积比为3-8mL:3-8mL:0.3-0.8mL；
D、制备复合有机蛋白溶液：将步骤B制备的蚕丝蛋白溶液和步骤C制备的掺银的羊毛角蛋白溶液按体积比为1-4:4-16混合，得复合有机蛋白溶液。
2.根据权利要求1所述的具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件，其特征在于，所述Ag电极膜为均布在所述复合有机蛋白膜上的直径为0.05-0.3mm、厚度为50-200nm的圆形电极。
3.根据权利要求1所述的具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件，其特征在于，所述ITO玻璃衬底为长有ITO膜、厚度为0.5-3 mm的玻璃衬底，其中ITO膜的厚度为50-80nm。
4.一种具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）制备羊毛角蛋白溶液：将干净的羊毛置于混合水解液中，在30-70℃下搅动水解8-15h，过滤，将母液透析3-4天，将透析液在40-80℃浓缩8h，得质量比浓度为1-30%的羊毛角蛋白溶液；所述混合水解液为每100mL中含有4mol的尿素、0.1mol的Na2S和0.02mol的SDS的混合水溶液；
（b）制备蚕丝蛋白溶液：将蚕茧置于摩尔浓度为0.015-0.025mol/L的NaHCO3溶液中煮沸10-50min，用水冲洗去除丝胶蛋白，将剩余的丝纤维溶解于9.0-9.5mol/L的LiBr溶液中，55-65℃保持2-6h，再用透析管在水中透析提取物，得质量比浓度为3-30%的蚕丝蛋白溶液；
（c）制备掺银的羊毛角蛋白溶液：将9-11mmol/L的HAgCl4溶液与质量比浓度为5％的羊毛角蛋白溶液混合2-3min后，再加入0.8-1.2mol/L 的NaOH溶液混匀，将其置于20-50℃下放置8-15小时，得掺银的羊毛角蛋白溶液，所述HAgCl4溶液、羊毛角蛋白溶液和NaOH溶液的体积比为3-8mL:3-8mL:0.3-0.8mL；
（d）制备复合有机蛋白溶液：将步骤（b）制备的蚕丝蛋白溶液和步骤（c）制备的掺银的羊毛角蛋白溶液按体积比为1-4:4-16混合，得复合有机蛋白溶液；
（e）清洗衬底：将ITO玻璃衬底依次在丙酮、酒精和去离子水中分别用超声波清洗，取出用N2吹干，得洁净的ITO玻璃衬底；
（f）复合有机蛋白膜的形成：将洁净的ITO玻璃衬底放入所述复合有机蛋白溶液中，通过浸渍提拉方法使所述复合有机蛋白溶液粘在ITO玻璃衬底的ITO膜上，置于真空干燥器中真空干燥，得复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底；
（g）生长银电极：将Ag靶材固定在磁控溅射制膜系统生长室的靶台上，将步骤（f）制得的复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底的复合有机蛋白膜上放置掩膜版，再固定到生长室的衬底台上，磁控溅射，在复合有机蛋白膜上沉积了Ag电极膜，即得Ag电极膜/复合有机蛋白膜/ITO玻璃衬底结构的有机生物相容性阻变神经仿生器件。
5.根据权利要求4所述具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件的制备方法，其特征在于，步骤（g）所述的磁控溅射的工艺条件为：将生长室抽真空至5×10-4-5×10-5Pa后通入流量为5-75sccm的氩气，使生长室内气压维持在0.1-5 Pa，磁控溅射功率：8-12W，控制Ag电极膜的生长速率为5-40nm/min，Ag电极膜的厚度为为50-200nm。
6.根据权利要求4所述具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件的制备方法，其特征在于，步骤（f）所述复合有机蛋白膜的厚度为5-50nm。
7.根据权利要求4所述具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件的制备方法，其特征在于，步骤（e）中所述ITO玻璃衬底为厚度为0.5-3mm的长有ITO膜的玻璃衬底，其中ITO膜的厚度为50-80nm。
8.根据权利要求4、5、6或7所述具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件的制备方法，其特征在于，步骤（g）中掩膜版上均布有孔径为0.05-0.3mm的圆孔。
9.一种权利要求1所述的具有有机生物相容性的阻变神经仿生器件在制备神经突触仿生器件中的应用。
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| CN101630662A (zh) * | 2009-08-20 | 2010-01-20 | 黑龙江大学 | 蛋白质结构快速开关忆阻器阵列的制作方法 |
| WO2012050533A1 (en) * | 2010-10-15 | 2012-04-19 | Nanyang Technological University | A memristor comprising a protein and a method of manufacturing thereof |
| KR20130006990A (ko) * | 2011-06-28 | 2013-01-18 | 고려대학교 산학협력단 | 다층박막으로 산화환원 단백질을 포함하는 스위칭 소자 및 이의 제조방법 |
| CN105633112A (zh) * | 2015-12-30 | 2016-06-01 | 西安电子科技大学 | 一种超轻阻变存储器及其制备方法 |
-
2017
- 2017-08-11 CN CN201710686707.6A patent/CN107425119B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101630662A (zh) * | 2009-08-20 | 2010-01-20 | 黑龙江大学 | 蛋白质结构快速开关忆阻器阵列的制作方法 |
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|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107425119A (zh) | 2017-12-01 |
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