质子传输是许多生物、物理和化学系统中至关重要的现象，尤其在生物电子学、材料科学和神经形态计算等领域具有重要意义。然而，现有的质子场效应晶体管（P-FET）普遍面临着开关比低、载流子迁移率不足等瓶颈问题，严重限制了其实际应用。为了解决这些难题，华中科技大学叶镭缪向水教授和香港科技大学钱希堂博士团队近期在《ACS Nano》上发表了一项重要研究，本研究团队通过开发基于二维Cd空位驻留的Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15质子膜材料，成功克服了这些技术难题，为P-FET的高性能化提供了全新解决方案。

图1 质子膜的合成流程示意图以及对材料晶体形貌的表征

研究过程中，团队采用了独特的两步碱金属离子插层和离子交换方法，合成了具有Cd空位的Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15超薄膜。该材料不仅具有1.02纳米的层间距，有助于质子在多重纳米通道和层间水网络中的快速迁移。Cd₀.₈₅PS₃Li₀.₁₅H₀.₁₅纳米片展现出超薄特性，透射电子显微镜（TEM）图像中表现出的低对比度便是有力证明。根据原子力显微镜（AFM）的测试结果，所合成的Cd₀.₈₅PS₃Li₀.₁₅H₀.₁₅纳米片厚度约为1.5纳米，表明这些纳米片主要为单层结构。

图2 质子膜在湿度与温度变换条件下的质子传输行为

通过电化学阻抗谱（EIS）实验，研究团队进一步验证了该薄膜的质子传输行为。在90°C和98%相对湿度条件下，该薄膜的质子电导率达到了0.83 S cm−1，同时展现出低至0.26 eV的激活能，证明了其作为质子导电材料的卓越性能。实验结果显示，随着温度的升高，薄膜的质子电导率显著增加，从30°C时的0.19 S cm−1上升至90°C时的0.83 S cm−1，这表明温度升高能够有效降低质子传输的势垒，提升传导效率。

图3 质子型FET的电学特性

在电学特性方面，基于Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15薄膜的质子晶体管展示了场效应迁移率达到8.84 × 10−2 cm²V−1 s−1，并实现了开关比5.51的优异表现，这一结果远超目前报道的绝大多数P-FET器件。此外，研究还表明，该器件在不同栅压条件下的质子浓度变化明显，表明其具有良好的电场调控能力，这对于在生物相关环境中的应用极为关键。

这项研究为质子场效应晶体管在生物电子设备中的应用开辟了新的方向，尤其是在对柔性和可穿戴设备的开发中具有重要的应用前景。这一研究成果也标志着课题组在离子仿生神经形态器件领域取得了重要的阶段性进展。

该工作以“High-Performance Proton-Field Effect Transistor Based on Two-Dimensional Cd Vacancy-Resided Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15”为题于2024年8月15号在线发表于期刊《ACS Nano》上（10.1021/acsnano.4c03649）。华中科技大学博士研究生史文昊，香港科技大学钱希堂博士以及南华大学硕士邹传凯为共同第一作者，叶镭教授、缪向水教授以钱希堂博士为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和优秀青年科学基金项目资助，是课题组在离子仿生神经形态器件的阶段性研究成果。