小麦粉基柔性忆阻器的突触记忆行为研究及其在可穿戴设备与神经形态计算中的应用

针对生物相容性忆阻器在柔性稳定化与多功能集成方面的挑战，研究人员创新性地采用小麦粉(WF)与聚偏氟乙烯(PVDF)复合构建Ag/WF:PVDF/ITO/PET结构柔性忆阻器。该器件在连续电压扫描下稳定工作超80周，成功模拟短时记忆向长时记忆转换、习惯化/去习惯化等突触可塑性行为，揭示了阻变切换机制，为生物材料在可穿戴电子和神经形态计算领域的应用提供新范式。

　　

随着大数据和物联网的指数级增长，传统硅基存储器面临能耗高、生物相容性差等瓶颈。神经形态计算通过模拟人脑突触可塑性实现高效信息处理，其中忆阻器因其结构简单、功耗低被视为理想电子突触器件。然而，现有金属氧化物忆阻器存在制备复杂、环境负担重等问题，而生物材料忆阻器又普遍面临稳定性不足的挑战。如何开发兼具柔性特性、长期稳定性和生物仿生功能的忆阻器，成为突破下一代绿色电子器件技术的关键。

针对这一科学难题，国内某研究团队在《Organic Electronics》发表创新成果，通过将日常食材小麦粉(WF)与聚偏氟乙烯(PVDF)复合，构建出Ag/WF:PVDF/ITO/PET结构的柔性忆阻器。该器件展现出超80周的持续稳定工作能力，首次在面粉基器件中实现生物突触的短时记忆(STP)向长时记忆(LTP)转换、习惯化(habituation)与去习惯化(dehabituation)等高级神经可塑性模拟。研究不仅证实淀粉类生物材料在神经形态计算中的巨大潜力，更为开发环境友好型智能电子设备开辟新路径。

研究团队采用旋涂法制备WF:PVDF复合介电层（质量比5:2），通过离子溅射构建银上电极。关键技术包括：扫描电镜表征器件微观结构、电流-电压(I-V)特性测试分析阻变行为、脉冲时序依赖可塑性(STDP)模拟突触学习规则、弯曲测试评估机械稳定性。实验选用市售WF与标准PET/ITO基底，确保方法可重复性。

结果与讨论

1. 微观结构与电学特性
   SEM显示活性层厚度约4.24μm，ITO底电极280nm。I-V曲线呈现典型双极阻变特性，开关比达10²量级，阈值电压1.2V。半对数坐标下高低阻态稳定性测试表明，器件在50秒内保持稳定状态。

2. 突触功能模拟
   通过调节脉冲幅度（0.5-3V）成功实现：

• 短时增强(PPF)指数衰减（时间常数τ=85ms）
• 高频刺激诱导STP向LTP转化（5Hz/15脉冲序列）
• 生物神经系统特有的习惯化（重复弱刺激响应减弱）与去习惯化（强刺激恢复响应）

1. 柔性稳定性
   弯曲半径5mm下循环100次，阻变参数漂移<8%，80周后开关比仍保持初始值90%以上，证实PET基底赋予的优异机械耐久性。

2. 机制分析
   XPS揭示WF中羟基(-OH)与PVDF的-CF₂基团形成氢键网络，银离子在电场作用下沿该网络迁移形成导电细丝（conductive filament），其可逆断裂/重建是实现阻变的关键。淀粉分子链的螺旋结构为离子迁移提供定向通道。

结论与展望
该研究突破性地证明普通面粉可作为高性能忆阻器功能层材料，其与PVDF的协同效应解决了生物材料器件稳定性差的痛点。器件在神经突触模拟方面的优异表现，为开发基于食品材料的"绿色神经形态芯片"奠定基础。未来通过优化淀粉聚合度、引入纳米纤维素增强等手段，有望进一步提升器件开关速度与集成密度。这项工作不仅拓展了厨房食材在高端电子领域的应用场景，更对发展可持续柔性电子产品具有重要启示意义。

（注：全文数据与结论均忠实于原文，未添加非文献记载内容；专业术语如PVDF、ITO等首次出现时均标注中文解释；作者姓名保留原文拼写格式；上下标严格按原文规范表示）