任天令教授团队长期致力于基于二维材料的智能微纳电子器件、芯片与系统的研究，包括：智能传感器与智能集成系统，二维纳电子器件与芯片，柔性、可穿戴器件与系统，智能信息器件与系统技术等。先后在Nature、Nature Electronics、Nature Communications等重要学术期刊发表超过700篇论文。本期易丝帮精选了2篇任天令教授团关于“静电纺 ZnO 纳米纤维基晶体管和静电纺丝构建电子皮肤”的最新研究，供大家学习了解。

1、《Advanced Functional Materials》：具有可调塑性的静电纺纳米纤维基突触晶体管用于神经形态计算

生物突触是神经形态网络中神经元信号传输的操作连接，硬件实现与静电纺丝一维纳米纤维相结合，在具有门控通道电导的基本三端场效应晶体管中实现了复杂计算任务的功能。然而，对于基于纳米纤维的突触晶体管，技术参数如何影响神经系统中信息处理的信号强度仍缺乏基本的认识。

近日，清华大学任天令教授团队通过调整静电纺丝参数和引入通道表面掺杂，提出了一种具有可调塑性的静电纺 ZnO 纳米纤维基晶体管，以模拟不断变化的突触功能。同时揭示了载流子浓度和迁移率对器件电性能和突触性能影响的机制。短期可塑性行为，包括成对脉冲促进、尖峰持续时间依赖性可塑性和动态过滤，都在这种基于纤维的设备中进行了调整。此外，钙钛矿掺杂器件的超低能耗高达≈0.2554 fJ及其手写识别应用表明，基于一维纳米结构有源层的突触晶体管在构建下一代神经形态网络方面具有巨大潜力。相关研究成果以“Electrospun Nanofiber-Based Synaptic Transistor with Tunable Plasticity for Neuromorphic Computing”以为题目，发表于期刊《Advanced Functional Materials》上。

图1 a)生物突触与ZnO纳米纤维突触晶体管的类比示意图。b)具有内层电子的单纳米纤维样品，以演示电特性的机理。C)根据不同的工艺参数，所制备的人工突触具有可调的电性能和突触性能。

选取纺丝时间和退火温度两个具有代表性的因素以改变纳米材料的形态为研究对象，进一步提高器件的性能。以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、N, N-二甲基甲酰胺(DMF)和醋酸锌二水合物((CH3COO)2Zn·2H2O)溶胶凝胶前驱体为混合溶液，纺丝时间分别为25 s、45 s或70 s，制备无序连续纳米纤维网络。确定了制备高性能人工突触的最佳工艺条件为静电纺丝时间为70 s，退火温度为500℃。

图2 基于ZnO纳米纤维的场效应晶体管及基本电测量。

综上所述，任天令教授团队通过采用静电纺丝技术在 SiO2/Si 衬底上制备无序 ZnO 纳米纤维。并作为人工突触，并在该 FET 中成功实现了 ESPC、IPSC、PPF、SDDP 和高通滤波功能。选择静电纺丝时间(纤维覆盖)、退火温度和掺杂钙钛矿等参数对器件塑性进行优化，得到了性能增强的突触晶体管。此外，在钙钛矿掺杂晶体管中实现了比生物突触低几十倍的超低能耗。这种基于纳米纤维的场效应晶体管为可调响应突触电子学提供了一个有代表性的模型，并为构建复杂的神经形态系统提供了一种潜在的方法。

2、《Chemical Engineering Journal》：多功能、透气MXene-PU网电子皮肤用于可穿戴智能心电监测系统

随着老龄化社会的到来和人们对心血管健康的日益关注，人们对日常生活中舒适的长期心电图 (ECG) 监测系统的需求越来越大。如果系统能够实时反馈心血管状况，像医生一样及时提供个性化建议，将有利于促进心血管健康，缓解医疗资源不平衡的压力。

鉴于此，清华大学任天令教授团队实现了一种基于MXene-聚氨酯网的多功能、透气、穿戴几乎无感的电子皮肤（MPM E-Skin）。电子皮肤显示出超低的电极-皮肤接触阻抗（1 kHz 时为 4.68 kΩ）、高信噪比（16.5 dB）和高透气性（2.1838 kg/m2/天） ，并且可以连续佩戴至少7天。作为应变传感器，电子皮肤具有较大的测量范围(> 40%)和独特的分段灵敏度(GF = 172.54(0 ~ 18.64%)和79.38(18.64 ~ 50%)，适用于检测细微和较大的生理信号。

图1 MPM电子皮肤的制备方法与表征。

更重要的是，通过将MPM电子皮肤与柔性印刷电路板(FPCB)结合，并结合卷积神经网络和长短期记忆(CNN和LSTM)智能算法，获得的可穿戴智能电子皮肤系统可实现每日12小时12导联心电监测，对4种心律不整的诊断准确率超过99%。这些结果表明，MPM电子皮肤在多功能智能医疗系统中具有巨大的潜力。特别提出了一种类似于“随身医生”的智能心电系统，用于日常的长期心血管健康监测。相关研究成果以“Multifunctional, breathable MXene-PU mesh electronic skin for wearable intelligent 12-lead ECG monitoring system”为题目发表在《Chemical Engineering Journal》上。

图2 MPM电子皮肤应用于多样化生理信号监测。

图3 MPM电子皮肤的双层导电网络及基于其所构建的可穿戴12导联智能心电监测系统。

综上所述，任天令教授团队展示了一种多功能、透气的电子皮肤，用于日常生活中长期的多种生理信号传感、心血管健康监测和诊断。创新的双层导电MXene与PU纳米网结合，同时增强了电子皮肤的物理性能，包括透气性、机械可靠性、灵敏度、附着力和洗涤耐久性。使用MPM电子皮肤可以监测和区分多种生理信号，如脉搏、呼吸、语音识别和关节运动，而不会刺激皮肤。

在此基础上，任天令教授团队创新性地实现了“随身医生”式的智能可穿戴心电系统，其具有完整的心电“监测-传输-智能诊断”能力，适合日常自主穿戴，随时随地地进行无感化健康监测。因此，该方法为在日常健康监测、康复、治疗和预防疾病中实施电子皮肤开辟了可能性。