《npj Flexible Electronics》：Mechanosensory neuron implemented by a single freestanding epitaxial SrTiO3 capacitor
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本文报道了一种将机械感知、电荷整合和神经元脉冲发放功能集成于单个Ag/独立式外延SrTiO3/Pt/PEN柔性器件的创新策略。研究人员通过应变工程调控SrTiO3钙钛矿晶格中的Ag+迁移能垒，实现了阈值电压从1.04V至0.24V的连续调节（应变0-2.61%），使脉冲频率提升两个数量级，单脉冲能耗低至96pJ。该器件在400次弯曲循环后仍保持稳定，为电子皮肤、软体机器人和生物集成 prosthesis提供了新一代超低功耗神经形态构建块。
在仿生电子学快速发展的今天，科学家们一直试图模仿生物体精妙的感知系统。人类皮肤中的机械感受器能够将机械形变转化为特定的神经脉冲序列，这种能力使得我们能够灵敏地感知触摸、压力和振动。然而，现有的柔性电子系统在模仿这种功能时，通常需要将传感、信号预处理和神经元脉冲发放等功能分散在不同的器件中，再通过复杂的电路连接起来。这种分离的架构不仅增加了系统的复杂度和能耗，也限制了其动态响应能力和集成度。因此，如何将机械感知与神经形态脉冲发放功能集成在单个柔性器件中，成为柔性电子和神经形态计算领域的一个重要挑战。
近日发表在《npj Flexible Electronics》上的一项研究，通过创新的材料设计和器件结构，成功实现了这一目标。由韩国建国大学的Bae Ho Park教授领导的研究团队开发出一种基于独立式外延SrTiO3（钛酸锶，STO）电容器的单器件机械感受神经元，该器件能够直接将机械应变转化为可调控的神经元样脉冲信号，无需外部传感和电容元件。
研究人员采用了几项关键技术方法：通过脉冲激光沉积在SrTiO3衬底上外延生长Sr3Al2O6牺牲层和STO功能层；利用水溶液选择性溶解牺牲层的方法获得独立式单晶薄膜；将薄膜转移至铂涂覆的聚萘二甲酸乙二醇酯柔性衬底上；通过电子束蒸发制备银/金顶电极。电学表征包括直流I-V测试、激活能分析以及神经元样脉冲测量，所有能量计算均基于实验测量的电压-时间波形进行积分。
Freestanding epitaxial membrane on flexible substrates
研究团队首先开发了一种高质量独立式外延膜的制备方法。通过脉冲激光沉积技术在SrTiO3衬底上依次生长Sr3Al2O6牺牲层和STO功能层后，利用水辅助剥离技术将STO薄膜完整转移至铂涂覆的聚萘二甲酸乙二醇酯柔性衬底上。X射线衍射分析证实，转移前后的STO薄膜均保持外延质量，其（002）衍射峰位于2θ=46.65°±0.005°。原子力显微镜显示转移后的STO薄膜表面原子级平整，均方根粗糙度仅为0.6nm，经过400次弯曲循环后轻微增加至0.8nm，表明薄膜具有优异的机械稳定性。
Strain-modulated TS device
研究人员系统研究了应变对阈值开关特性的影响。器件工作原理基于Ag+离子在电场作用下的迁移和导电细丝的形成与溶解。理论分析表明，拉伸应变会使STO钙钛矿晶格中的Ti-O-Ti键角发生旋转，增加阳离子-空位间距，从而降低Madelung势阱深度。密度泛函理论计算预测2-4%的拉伸应变可使氧空位迁移势垒降低达25%，类似效应也适用于Ag+离子迁移。实验结果显示，随着应变从0%增加至2.61%，平均阈值电压从1.04±0.05V线性下降至0.24±0.05V，斜率为-0.28±0.02V/%应变。同时，Ag+迁移的激活能也随之降低，表明应变确实有效促进了离子传输。
Strain-modulated neuron-like properties
最具创新性的发现是器件表现出应变可编程的神经元样脉冲行为。利用STO层固有的高介电常数（εr≈300）产生的寄生电容（数十皮法量级），器件无需外接电容即可实现完整的弛豫振荡器功能。在恒定偏压下，脉冲频率随应变增加而显著提升：在1V偏压下，频率从0Hz增至41.17Hz；在2.2V偏压下，从14.77Hz增至223.5Hz。最小可检测应变约为0.013%（2.2V下）。能量消耗计算表明，每个脉冲的能量在96-300pJ之间，接近生物神经元的能耗水平（1-100pJ），比当前最先进的柔性传感神经元系统能效高约25倍。耐久性测试显示，经过400次弯曲循环后，器件的脉冲频率稳定性保持在±10%以内。
研究团队还将该器件与现有技术进行了全面对比。传统传感神经元系统通常需要2-5个外部组件，能耗在2.5nJ-4.5μJ/脉冲之间，而本研究实现的单器件结构仅需一个外部电阻，能耗低至96pJ/脉冲。通过将电极尺寸从50×50μm2缩小至10×10μm2，理论上可将神经元密度提高至超过104cm-2，能量消耗进一步降低至约4pJ/脉冲，远超人类指尖机械感受器密度（约240cm-2）和最先进的软电子触觉阵列（455像素cm-2）。
这项研究通过巧妙的材料选择和器件设计，成功将机械感知、电荷整合和神经元样脉冲发放功能集成于单个柔性器件中。利用拉伸应变调控钙钛矿氧化物晶格中的离子迁移能垒，实现了脉冲频率超过两个数量级的可调范围，同时保持了与生物神经元相当的能耗水平。独立式外延薄膜的原子级平整度和机械稳定性为器件长期可靠工作提供了保障。这种应变可编程的神经形态构建块为高密度电子皮肤、软体机器人和生物集成假肢等应用提供了新的技术路径，标志着柔性神经形态电子向真正仿生集成迈出了重要一步。
