質子傳輸是許多生物、物理和化學系統中至關重要的現象，尤其在生物電子學、材料科學和神經形态計算等領域具有重要意義。然而，現有的質子場效應晶體管（P-FET）普遍面臨着開關比低、載流子遷移率不足等瓶頸問題，嚴重限制了其實際應用。為了解決這些難題，6774澳门永利葉鐳缪向水教授和香港科技大學錢希堂博士團隊近期在《ACS Nano》上發表了一項重要研究，本研究團隊通過開發基于二維Cd空位駐留的Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15質子膜材料，成功克服了這些技術難題，為P-FET的高性能化提供了全新解決方案。

圖1 質子膜的合成流程示意圖以及對材料晶體形貌的表征

研究過程中，團隊采用了獨特的兩步堿金屬離子插層和離子交換方法，合成了具有Cd空位的Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15超薄膜。該材料不僅具有1.02納米的層間距，有助于質子在多重納米通道和層間水網絡中的快速遷移。Cd₀.₈₅PS₃Li₀.₁₅H₀.₁₅納米片展現出超薄特性，透射電子顯微鏡（TEM）圖像中表現出的低對比度便是有力證明。根據原子力顯微鏡（AFM）的測試結果，所合成的Cd₀.₈₅PS₃Li₀.₁₅H₀.₁₅納米片厚度約為1.5納米，表明這些納米片主要為單層結構。

圖2 質子膜在濕度與溫度變換條件下的質子傳輸行為

通過電化學阻抗譜（EIS）實驗，研究團隊進一步驗證了該薄膜的質子傳輸行為。在90°C和98%相對濕度條件下，該薄膜的質子電導率達到了0.83 S cm−1，同時展現出低至0.26 eV的激活能，證明了其作為質子導電材料的卓越性能。實驗結果顯示，随着溫度的升高，薄膜的質子電導率顯著增加，從30°C時的0.19 S cm−1上升至90°C時的0.83 S cm−1，這表明溫度升高能夠有效降低質子傳輸的勢壘，提升傳導效率。

圖3 質子型FET的電學特性

在電學特性方面，基于Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15薄膜的質子晶體管展示了場效應遷移率達到8.84 × 10−2 cm²V−1 s−1，并實現了開關比5.51的優異表現，這一結果遠超目前報道的絕大多數P-FET器件。此外，研究還表明，該器件在不同栅壓條件下的質子濃度變化明顯，表明其具有良好的電場調控能力，這對于在生物相關環境中的應用極為關鍵。

這項研究為質子場效應晶體管在生物電子設備中的應用開辟了新的方向，尤其是在對柔性和可穿戴設備的開發中具有重要的應用前景。這一研究成果也标志着課題組在離子仿生神經形态器件領域取得了重要的階段性進展。

該工作以“High-Performance Proton-Field Effect Transistor Based on Two-Dimensional Cd Vacancy-Resided Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15”為題于2024年8月15号在線發表于期刊《ACS Nano》上（10.1021/acsnano.4c03649）。6774澳门永利博士研究生史文昊，香港科技大學錢希堂博士以及南華大學碩士鄒傳凱為共同第一作者，葉鐳教授、缪向水教授以錢希堂博士為共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和優秀青年科學基金項目資助，是課題組在離子仿生神經形态器件的階段性研究成果。