当前位置：首页>太原>太原理工杨永珍/郝浩天/安美文&西南大学周广东Mater. Today Bio |卤掺杂CDs忆阻器实现神经形态计算与生物通信双功能

太原理工杨永珍/郝浩天/安美文&西南大学周广东Mater. Today Bio |卤掺杂CDs忆阻器实现神经形态计算与生物通信双功能

2026-04-20 00:02:56

神经接口技术是连接人体神经系统与外部设备的关键，而基于人工突触的忆阻器是实现高效、低功耗神经交互的核心器件。传统忆阻器难以桥接电-化学信号鸿沟，限制了生物集成应用。近日，太原理工大学杨永珍/郝浩天/安美文&西南大学周广东研究团队提出卤掺杂工程，优化碳点（CDs）基忆阻器性能，成功实现神经形态计算与神经接口双功能，为先进神经接口发展提供新路径！相关成果以"Engineering halogen-doped carbon dots for enhanced bioinspired synapses toward neuromorphic computing and neural interfaces"为题发表在Materials Today Bio上。

采用溶剂热法合成未掺杂CDs（UCDs）及氟/氯/溴掺杂CDs（FCDs、ClCDs、BrCDs），四种CDs均为球形、分散均匀，粒径集中在1.6~3.7 nm，晶格间距约0.21 nm（对应石墨相(100)晶面）。FTIR证实四种CDs均含O-H/N-H、C=O等官能团，且FCDs、ClCDs、BrCDs分别出现C-F（1159 cm⁻¹）、C-Cl（789 cm⁻¹）、C-Br（677 cm⁻¹）特征峰，证明卤元素成功掺杂。

Raman光谱显示，UCDs、FCDs、ClCDs、BrCDs的ID/IG比分别为0.77、0.75、0.68、0.60，表明卤掺杂可提升CDs结构有序性。XPS进一步证实卤元素的成功掺杂，F 1s、Cl 2p、Br 3d分别出现特征峰。

忆阻器采用ITO/CDs/Al三明治结构，经优化确定最佳制备参数：CDs浓度2 mg/mL、旋涂转速2000 rpm、退火温度80 ℃。AFM显示四种CDs薄膜的RMS粗糙度均低于1.16 nm，利于提升器件性能重复性。循环I-V测试表明，卤掺杂CDs基忆阻器稳定性显著优于UCDs，其中BrCDs基忆阻器循环稳定性最佳，OFF/ON态在1.2×10⁵ s内无明显电流衰减。

阈值电压统计显示，BrCDs基忆阻器的VSET（0.45~0.95 V）和VRESET（-2.0~-1.25 V）分布最窄，SET/RESET操作的变异系数仅为6.2%和9.8%，显著低于其他器件；其ON/OFF电流波动也最小，ON电流变异系数降至7.7%。

以BrCDs为例，KPFM测试显示，BrCDs薄膜可有效捕获电子，空穴为主要载流子。UV-vis和CV分析结合DFT计算表明，卤掺杂可降低CDs能级，BrCDs的HOMO/LUMO能级为-5.93 eV/-3.59 eV，电子最易从Al电极注入。

ESP分析显示，卤元素电负性顺序为F>Cl>Br，F原子电子捕获能力最强，导致电子难以脱陷，而Br的电负性适中，可实现电子捕获与脱陷的平衡，这是BrCDs基忆阻器性能最优的核心原因。双对数拟合显示，BrCDs基忆阻器OFF态低电压区为欧姆导电（斜率1.27），高电压区为Child区（斜率2.42），符合空间电荷限制电流机制。

BrCDs基忆阻器可模拟生物突触功能，施加电脉冲后呈现典型的兴奋性突触后电流（EPSC），且存在双脉冲易化（PPF）现象，间隔时间越短，PPF指数越高。该器件可实现突触时序依赖可塑性（STDP），突触前脉冲先于突触后脉冲时突触权重增强（LTP），反之则减弱（LTD）；同时具备脉冲数量依赖可塑性（SNDP），可通过调节脉冲数量实现短/长期记忆转换。

10次LTP/LTD循环测试显示器件性能稳定。基于该器件构建的CNN在Fashion MNIST数据集上的识别准确率达97.72%，各类别准确率在84.2%~98.6%之间。

以BrCDs基忆阻器为核心构建神经接口芯片，通过忆阻器-加热器结构调控DA@PVA水凝胶的多巴胺（DA）释放。CCK8测试显示，PET、PVA水凝胶和BrCDs的细胞存活率均高于94.3%，生物相容性良好。施加4 V偏压时，忆阻器电流稳定在74 mA，DA释放浓度逐渐升至61.6 μM。

Ca²⁺荧光成像显示，随着DA释放时间延长，PC12细胞的平均荧光强度从1.9升至43.5，细胞亮度显著增强，证实芯片可通过DA介导与神经细胞实现信息通信。

总结

卤掺杂工程可显著优化CDs基忆阻器性能，其中BrCDs基忆阻器表现最优，既具备优异的神经形态计算能力，又可作为神经接口核心实现电-化学信号转换，为先进神经接口的研发提供了新策略！

相关文献：

Haotian Hao, Xiaochen Lang, Yanli Cao, Lin Chen, Mixue Wang, Zhibin Ding, Yuhao Peng, Bai Sun, Meiwen An, Guangdong Zhou, Yongzhen Yang, Engineering halogen-doped carbon dots for enhanced bioinspired synapses toward neuromorphic computing and neural interfaces, Materials Today Bio, 2026, 38, 103088.

https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2026.103088

通讯作者简介

杨永珍

教授，工学博士，博士研究生导师。“纳米光电材料及器件核心技术”山西省科技创新重点团队核心成员。英国赫特福德大学，访问学者。英国赫特福德大学校外博士生导师；中国微米纳米技术学会第四届高级会员。

主要研究方向为纳米碳功能材料、碳基光电材料和生物医药材料。近五年来，在纳米碳材料的功能化及其应用方面，主持并参与国家和省部级项目20项，在国内外期刊和会议上发表论文357篇，申请专利68项（其中授权国家发明专利40项），获省级奖励2项

郝浩天

工学博士，现就职于太原理工大学人工智能学院生物医学工程研究所，专注于碳基/有机人工突触在神经修复与类脑神经计算领域的交叉前沿研究，担任Nanoscale等期刊审稿人。近年已在Angew Chem Int Edit、Adv Funct Mater、Adv Electron Mater、Chem Soc Rev等期刊发表或参与发表多篇SCI论文，并已申请发明专利1项，获批国家资助博士后研究人员计划（C）1项，参与国家自然科学基金面上项目1项，第二届山西省博士后创新大赛优秀博士后。

周广东

“含弘”研究员、教授、博士生导师

主要从事后摩尔时代的神经形态计算系统的底层核心器件理论、机理、工艺、集成、电路系统及算法研究，完善和发现了忆阻器中阻变突触状态的演化过程，开发了多种新型存算融合器件。

近5年，主研/主持国家自然基金委重点项目(258万)、西南大学人才引进项目(300万)，重点项目子课题(100万)，博士后创新人才支持计划(60万)，智能器件测试系统-横向课题(125万)以及省级自然科学基金等十余项。在底层核心器件、理论、工艺方面的研究成果发表在Advanced Science，Nano Letters，Nano Energy，Materials Horizons，Advanced Electronic Materials，Materials Today Physics, Journal of Physical Chemistry Letters，ACS Nano，Applied Physics Letters，IEEE Transactions on Circuits and Systems，《中科科学》，《电子信息学报》等期刊上，共计SCI论文70余篇，第一作者(通讯作者) 30余篇，其中5篇文章入选ESI 1%高被引论文榜。总引次数1700次，H指数24，i10指数47。

安美文

工学博士，太原理工大学生物医学工程学院教授、博士生导师、副院长、学科带头人。主讲《生物流体力学》等课程，主持国家自然科学基金面上项目3项，参与重点项目2项，主持省部级项目3项。发表学术论文70余篇，获山西省科技进步奖二等奖1项，出版专著1部、教材2部，授权国家发明专利3项。