基于铜掺杂SiO2忆阻器的仿生疼痛传感器及其在肌电运动监测中的应用

本文创新性地利用Cu掺杂SiO2忆阻器实现了生物痛觉感受器（Nociceptor）的功能模拟，通过聚焦离子束扫描电镜（FIB-SEM）揭示了导电细丝溶解机制，成功演示了阈值、弛豫、敏化（Allodynia/Hyperalgesia）等特征。该器件通过表面肌电信号（sEMG）实现运动疲劳预警，为可穿戴医疗设备及仿生机器人提供了新方案。

　　

章节亮点

Cu掺杂SiO₂忆阻器的制备与结构表征

采用共溅射技术制备的Cu掺杂SiO₂薄膜作为忆阻器电解质层，其中Cu靶和SiO₂靶以垂直方式组装并在115W功率下溅射（详细方法参见我们前期的论文[20]）。通过X射线光电子能谱（XPS）分析铜在掺杂薄膜中的价态，该测试使用配备单色化Al Kα X射线源（1486.6 eV）的Thermo Scientific K-Alpha谱仪在100W功率下进行。样品在高真空条件下（P < 10^?8 mbar）进行分析。

结论

本研究通过FIB-SEM和透射电镜横截面图像揭示了Cu掺杂SiO₂忆阻器中导电细丝的形成机制。采用共溅射技术将Cu掺杂到SiO₂薄膜中，透射电镜横截面结果证实Cu以纳米颗粒形式嵌入SiO₂电解质层。在直流扫描的SET过程中形成铜导电细丝。基于FIB提供的导电细丝三维重构，精细化结构表明焦耳热诱导的溶解现象影响了导电细丝在正直流扫描中的稳定性，该过程进一步受合规电流调控。通常而言，较小半径的细丝比较大体量的细丝更容易发生断裂。通过测量结果展示了包括感觉异常痛（Allodynia）、痛觉过敏（Hyperalgesia）、弛豫（Relaxation）和阈值（Threshold）在内的所有特征，证明该忆阻器适用于痛觉感受器的仿生模拟。

实验方法

器件通过115W射频溅射制备，采用Cu和SiO₂靶材组合在硅片上沉积Cu掺杂SiO₂薄膜（详见文献[19]）。利用配备单色化Al Kα X射线源（1486.6 eV）的Thermo Scientific? K-Alpha谱仪在100W功率下对沉积薄膜进行X射线光电子能谱（XPS）成分分析。样品在高真空条件（P < 10^?8 mbar）下进行分析。