圖 | 趙婷婷（來源：趙婷婷）
重氮感光劑（DS，Diazo Sensitizer）結構中的不穩定重氮基團受到紫外光（UV，ultraviolet and visible spectrum）照射時，會光解產生反應中間體（苯基陽離子）、N₂ 和氯離子；聚乙烯醇（PVA，polyvinyl alcohol,vinylalcohol polymer）中的羥基與反應中間體結合形成醚鍵，並釋放 H⁺，這一反應導致 PVA 轉化為不溶於水的薄膜；而殼聚糖季銨鹽（HACC，Chitosan Quaternary Ammonium Salt）和 PVA 之間形成的強分子間氫鍵同時又促進了混合交聯。
在這個可光刻電解質體系中，PVA 的作用是與 DS 發生化學反應，導致 PVA 轉化為不溶於水的物質。HACC 則起到雙重作用：它與 PVA 形成混合交聯，更重要的是，它彌補了 PVA 與 DS 反應過程中缺失的羥基。
這不僅實現了該電解質的光刻圖案化，同時增強圖案化電解質的電學效能，有效形成電雙層，用以調節電解質突觸電晶體的電導。這一創新方法成功製造出了每平方釐米包含 11846 個器件的高密度多模態高密度生物電解質柵控突觸電晶體（BEGT，High-Density Bio-Electrolyte-Gated Synaptic Transistors）陣列。
本研究開發的光交聯圖案化電解質製備技術，為 BEGT 陣列的高密度可擴充套件穩定製造提供了可靠策略，不僅有效解決了高密度陣列器件的空間串擾問題，還提升了器件的柔性，為人工神經形態系統的發展提供了重要的技術支援。
（來源：Advanced Functional Materials）
趙婷婷表示，BEGT 陣列在構建神經形態計算架構方面展現出巨大潛力。然而，由於電解質的體離子導電性和對裂紋的高度敏感性，會導致陣列器件間的空間串擾，同時降低器件柔性，因此，電解質的圖案化製備變得至關重要。光刻技術作為微電子製造的核心技術之一，能夠製造亞微米級的高密度器件陣列，其高精度和高可靠性使其成為目前實現高密度圖案化器件的首選方法。
然而，生物電解質材料因其對有機溶劑和 UV 的敏感性會導致材料在光刻過程中的退化，這會削弱材料的離子活性，進而影響器件的效能。因此，他們期望開發一種穩定且可靠的全光刻技術來製造可擴充套件的高密度 BEGT 陣列。
該課題組先前有一個小工作是開發了基於電解質材料的多柵突觸電晶體，利用電解質的體離子導電性和柵極的空間位置不同，獲得在相同電壓條件下激發的後電流顯著差異，實現對位置資訊進行編碼與分類。但這些工作都是針對的是單個人工突觸器件。
他們十分清楚生物體是依靠神經元的相互連線組成的神經網路，來實現對外界環境的感知與認知。因此，製備高密度突觸電晶體陣列是在硬體層面上構建人工神經形態計算的關鍵。
如果利用電解質突觸晶體管制作突觸電晶體陣列，由於電解質的體離子導電特性，若不對電解質進行圖案化處理，那麼在對陣列中某一電解質突觸電晶體進行電導調控時，周圍器件的電導必定受到影響。因此必須對電解質進行圖案化處理，從而隔絕由電解質體離子導電特性引起的器件相互之間的串擾。
（來源：Advanced Functional Materials）
在明確製備高密度低串擾電解質突觸電晶體陣列的關鍵是電解質的圖案化製備後，他們考慮了多種製備工藝，包括絲網印刷、噴墨列印等，但這些技術所製備的器件密度有限（<1000 個器件每平方釐米）。
光刻技術作為微電子製造的核心技術之一，能夠製造亞微米級的高密度器件陣列，其高精度和高可靠性使其成為目前實現高密度圖案化器件的首選方法。在傳統的電晶體陣列製備過程中，光刻工藝一直是有效的工藝手段，他們希望電解質也具備能由光刻工藝製備的能力，從而避免器件的空間串擾。
他們在先前的工作中積累了大量關於生物電解質突觸晶體管制備的經驗，生物電解質具有高比電容、環境友好、靈活製造等特點。然而，生物電解質材料因其對有機溶劑和 UV 的敏感性可能導致材料在光刻過程中的退化，這會削弱材料的離子活性，進而影響器件的效能。
在這個工作中，他們開發了一種由 HACC、PVA 和 DS 組成的可相容傳統光刻工藝的電解質圖案化製備方法。DS 結構中的重氮基團本身是不穩定的，受到 UV 光照射時，DS 發生光解，產生反應中間體（苯基陽離子）、N₂ 和氯離子。然後，PVA 中的羥基與反應中間體結合形成醚鍵，並釋放 H⁺。這一反應導致 PVA 轉化為不溶於水的薄膜。HACC 和 PVA 之間形成的強分子間氫鍵能夠促進混合交聯。
在這個可光刻圖案化電解質體系中，PVA 的作用是與 DS 發生化學反應，導致 PVA 轉化為不溶於水的物質。HACC 則起到雙重作用：它與 PVA 形成混合交聯，更重要的是，它彌補了 PVA 與 DS 反應過程中缺失的羥基。這可以增強圖案化電解質的電學效能，從而有效形成電雙層，調節電解質突觸電晶體的電導。
日前，相關論文以《用於多模態神經形態計算的高密度、無串擾、柔性電解質柵極突觸電晶體陣列的全光刻技術》（High-Density, Crosstalk-Free, Flexible Electrolyte-Gated Synaptic Transistors Array via All-Photolithography for Multimodal Neuromorphic Computing）為題發在 Advanced Functional Materials[1]。Li Yuan 是第一作者，上海大學的趙婷婷副教授和張建華教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Functional Materials）
在未來的研究中，他們的目標是提高這些圖案電解質的效能，透過改進電解質的化學成分和結構，提升其離子導電性和穩定性。並將研究電解質突觸電晶體的長期記憶機制，提高突觸電晶體中電解質材料的電化學活性和離子滲透率，從而開發具有長儲存時間的高密度突觸電晶體陣列，以及確保陣列中每個突觸電晶體的效能一致，減少器件間的差異，提高整體陣列的可靠性。
然後，他們將進一步提高突觸電晶體陣列的柔性，從而擴充套件其應用範圍，適用於如植入式腦機介面、電子皮膚以及智慧紡織品等領域，促進柔性神經形態計算技術的發展。最終，他們希望利用電解質突觸電晶體陣列從硬體層面上實現類腦計算系統，透過開發神經形態晶片，將其用於需要即時處理和學習的應用場景比如機器人和自動駕駛等領域。
參考資料：
1.Yuan,L. et al. High-Density, Crosstalk-Free, Flexible Electrolyte-Gated Synaptic Transistors Array via All-Photolithography for Multimodal Neuromorphic Computing. Advanced Functional Materials(2025).
https://doi.org/10.1002/adfm.202418052
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