1. 文章信息

標(biāo)題：Bioinspired nanofluidic iontronic device with integrated photoreceptor and photosynaptic functions

中文標(biāo)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(qū)信息： 中科院一區(qū)Top；JCR分區(qū)（Q1）

涉及研究方向：仿生材料化學(xué)、離子電子器件、神經(jīng)形態(tài)計算 

4. 作者信息：第一作者是  劉文超；通訊作者為肖凱 ；

5.產(chǎn)品型號：CEL-S500-T5、CEL-LED100HA;

一、研究背景

視覺系統(tǒng)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(wǎng)膜中的光感受器細(xì)胞和光突觸層是實現(xiàn)視覺功能的核心結(jié)構(gòu)：光感受器通過光敏蛋白通道將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，調(diào)節(jié)離子跨膜運輸，從而產(chǎn)生膜超極化；光突觸則負(fù)責(zé)信息的存儲與傳遞。受此啟發(fā)，研究人員嘗試?yán)霉虘B(tài)光電器件模擬視覺功能，但現(xiàn)有器件多依賴半導(dǎo)體中的電子-空穴分離機(jī)制，難以真正模擬生物中離子介導(dǎo)的信號傳遞過程。此外，現(xiàn)有光控離子傳輸系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，難以實現(xiàn)對高頻視覺信號的快速響應(yīng)。因此，開發(fā)一種能夠在一個納米流體器件中同時實現(xiàn)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(tǒng)，是當(dāng)前研究的難點與熱點。

圖1 仿生設(shè)計理念。a 人類視覺系統(tǒng)示意圖；b 光門控離子通道作為光感受器的開關(guān)狀態(tài)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(jī)制。

二、結(jié)果與討論

1．實驗方法與機(jī)理驗證

本研究設(shè)計了一種基于碳納米管與二硫化鉬（CNT/MoS?）異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為一維同軸異質(zhì)納米管，采用兩步法合成：首先通過化學(xué)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(qū)體在CNT內(nèi)部形成MoS?層。所得到的CNT/MoS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(yīng)機(jī)制，研究團(tuán)隊進(jìn)行了系統(tǒng)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(zhì)界面處的電荷分布與激發(fā)態(tài)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(qū)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(rèn)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(xué)系統(tǒng)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(yīng)。

DFT計算表明，在CNT/MoS?異質(zhì)界面處，MoS?作為電子供體，將電子轉(zhuǎn)移到CNT內(nèi)表面，形成內(nèi)建電勢，有助于分離光生電子-空穴對。在激發(fā)態(tài)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(zhuǎn)移。KPFM測量進(jìn)一步驗證了光電壓的可逆生成與調(diào)控，SPV在0.1–0.5 mW/cm2光強(qiáng)下從3.8 mV線性增至7.7 mV。PNP模擬顯示，在單側(cè)光照下，異質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非對稱光電壓，驅(qū)動K?離子在納米管內(nèi)遷移，形成離子光電流。離子濃度分布模擬顯示，光照側(cè)K?顯著富集，Cl?相對貧乏，產(chǎn)生濃度極化現(xiàn)象。該離子選擇性源于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的負(fù)表面電荷。

圖2 納米管異質(zhì)結(jié)構(gòu)及光控離子傳輸機(jī)制。 a CNT/MoS?納米管異質(zhì)結(jié)構(gòu)的SEM、TEM及元素分布圖；b 基態(tài)下異質(zhì)界面處電子重新分布的靜電勢差；c 激發(fā)態(tài)下異質(zhì)界面的電子-空穴分布；d 光照開/關(guān)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(qiáng)；f–h 單側(cè)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(jié)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(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最佳的離子光電流增強(qiáng)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(yīng)zui qiang，與異質(zhì)結(jié)構(gòu)的吸收譜一致。器件的光響應(yīng)度為78.4 μA/W，響應(yīng)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(qiáng)，二價陽離子（Mg2?、Ca2?）比一價離子（K?、Na?）產(chǎn)生更強(qiáng)的光電流，歸因于更強(qiáng)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(jié)構(gòu)在交替光照下的循環(huán)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(zhì)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(qiáng)。在雙脈沖刺激下，器件表現(xiàn)出典型的雙脈沖易化（PPF）行為，PPF指數(shù)隨脈沖間隔增加呈雙指數(shù)衰減，模擬了生物突觸的短時可塑性（STP）。通過增加光脈沖數(shù)量（10–80次）或延長脈沖寬度（1–20秒），器件實現(xiàn)了從STP向長時程可塑性（LTP）的轉(zhuǎn)變。在頻率依賴實驗中，刺激頻率越高（0.05–1.00 Hz），EPSC增強(qiáng)越顯著。在“學(xué)習(xí)-遺忘-再學(xué)習(xí)"實驗中，器件表現(xiàn)出經(jīng)驗依賴的學(xué)習(xí)行為：學(xué)習(xí)需40次訓(xùn)練達(dá)到100%響應(yīng)，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(yīng)（固定偏壓0.5 V）；c 不同偏壓下的離子電流響應(yīng)（固定光強(qiáng)94 mW/cm2）；d 雙脈沖易化（PPF）效應(yīng)；e PPF指數(shù)隨脈沖間隔的變化；f 不同脈沖數(shù)量（10–80次）誘導(dǎo)的EPSC；g 不同脈沖寬度（1–20 s）誘導(dǎo)的EPSC；h 不同脈沖頻率（0.05–1 Hz）誘導(dǎo)的EPSC；i 經(jīng)驗依賴性學(xué)習(xí)行為（三次訓(xùn)練周期）。

4. 應(yīng)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(gòu)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(yīng)呈極性分布，且隨偏壓和光強(qiáng)增強(qiáng)而增強(qiáng)。利用三層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（輸入層為時間電流信號，隱藏層16個神經(jīng)元，輸出層12個方向），模型在40個訓(xùn)練周期后達(dá)到98.5%的方向識別準(zhǔn)確率。此外，將器件用于指紋圖像識別，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），90°光照下識別準(zhǔn)確率最高達(dá)96.13%，且在多個角度下（0°–330°）均保持95%以上的識別準(zhǔn)確率。

圖5 基于納米流體離子電子器件的方向識別應(yīng)用。a 仿生視覺系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）示意圖；b 不同光照角度下的EPSC隨時間響應(yīng)；c 極坐標(biāo)下EPSC隨角度和偏壓的變化；d EPSC隨角度和光強(qiáng)的變化；e 訓(xùn)練過程中識別準(zhǔn)確率的變化（最高98.5%）；f 測試集的混淆矩陣；g 指紋識別準(zhǔn)確率（最高96.13%）；h 不同角度下識別準(zhǔn)確率的穩(wěn)定性（>95%）。

結(jié)論

本研究成功開發(fā)了一種基于CNT/MoS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jī)制為“光刺激-電信號-電子/離子耦合-離子信號"的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，源于異質(zhì)界面處光生電子-空穴分離誘導(dǎo)的非對稱光電壓驅(qū)動離子傳輸。在無偏壓下，器件實現(xiàn)快速光響應(yīng)；在偏壓下，表現(xiàn)出可調(diào)突觸可塑性。該器件在方向識別和指紋檢測中展現(xiàn)出高精度與強(qiáng)魯棒性，具備在機(jī)器視覺、仿生視網(wǎng)膜等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。該研究為構(gòu)建高性能、多功能的人工視覺系統(tǒng)提供了新的思路與材料平臺。