成果速递|小型无掩膜光刻直写系统（MicroWriter）在复旦大学包文中教授课题组的Z新研究应用

Quantum Design中国子公司 2019-10-16 10:05:04 597 浏览

随着电子信息产业的高速发展，集成电路的需求出现了井喷式的增长。使得掩膜的需求急剧增加，目前制作掩膜的主要技术是电子束直写，但该制作效率非常低下，并且成本也不容小觑，在这种背景下人们把目光转移到了无掩膜光刻技术。
英国Durham Magneto Optics公司致力于研发小型台式无掩膜光刻直写系统（MicroWriter ML3），为微流控、MEMS、半导体、自旋电子学等研究领域提供方便GX的微加工方案。传统的光刻工艺中所使用的铬玻璃掩膜板需要由专业供应商提供，但是在研发过程中，掩膜板的设计通常需要根据实际情况多次改变。无掩膜光刻技术通过以软件设计电子掩膜板的方法，克服了这一问题。与通过物理掩膜板进行光照的传统工艺不同，激光直写是通过电脑控制DMD微镜矩阵开关，经过光学系统调制，在光刻胶上直接曝光绘出所要的图案。同时其还具备结构紧凑（70cm X 70cm X 70cm）、高直写速度，高分辨率（XY：<1 um）的特点。采用集成化设计，全自动控制，可靠性高，操作简便。

复旦大学微电子学院包文中教授课题组主要的研究领域包括二维层状材料的能带调控、器件工艺及应用，包括二硫化钼（MoS2），黑磷等。近日，其课题组利用小型台式无掩膜光刻直写系统（MicroWriter ML3）在新型二维层状材料MoS2的器件制备、转移和应用等方面取得了一系列瞩目的研究成果：
（一） SMALL: 高性能的具备实际应用前景的晶圆级MoS2晶体管
原子层级的过渡金属二硫化物（TMD）被认为是下一代半导体器件的重要研究热点。然而，目前绝大部分的器件都是基于层间剥离来获取金属硫化物层，这样只能实现微米级的制备。在本文中，作者提出一种利用化学气相沉积（CVD）制备多层MoS2薄层，进而改善所制备器件的相关性能。采用四探针法测量证明接触电阻降低一个数量级。进一步，基于该法制备的连续大面积MoS2薄层，采用小型无掩膜光刻直写系统（MicroWriter ML3）构筑了顶栅极场效应晶体管（FET）阵列。研究表明其阈值电压和场效应迁移率均有明显的提升，平均迁移率可以达到70 cm2V-1s-1，可与层间剥离法制备的MoS2 FETZ 好结果相媲美。本工作创制了一种规模化制备二维TMD功能器件和集成电路应用的有效方法。

图1. (a-e) 利用CVD法制备大面积多层MoS2的原理示意及形貌结果。(g, h, i, j) 单层MoS2边界及多层MoS2片层岛的AFM测试结果，拉曼谱及光致发光谱结果

图2. 利用无掩膜激光直写系统（MicroWriter）在MoS2薄层上制备的多探针（二探针/四探针）测量系统，以及在不同条件下测量的接触电阻和迁移率结果。证明所制多层MoS2的平均迁移率可以达到70 cm2V-1s-1

图3. 利用无掩膜光刻直写系统（MicroWriter）制备的大面积规模级MoS2 FET阵列，及其场效应迁移率和阈值电压的分布性测量结果，证明该规模级MoS2 FET阵列具备优异且稳定的均一特性
（二） Nanotechnology: 用于高性能场效应晶体管的晶圆级可转移多层MoS2的制备
利用化学气相沉积（CVD）制备半导体型过渡金属二硫化物（TMD）是一种制备半导体器件的新途径，然而实现连续均匀的多层TMD薄膜制备仍然需要克服特殊的生长动力学问题。在本文中，作者利用多层堆叠（layer-by-layer）及转移工艺，制备出均匀、无缺陷的多层MoS2薄膜。同时，利用无掩膜光刻直写系统（MicroWriter）在其基础上制备场效应晶体管（FET）器件。分别实现1层、2层、3层和4层MoS2 FET的制备，并深入研究不同条件下器件的迁移率变化，Z终发现随着MoS2堆叠层数的增加，电子迁移率随之增加，但电流开关比反而减小。综合迁移率和电流开关变化，2层/3层MoS2 FET是Z 优设计器件。此外，双栅极结构也被证明可以改善对多层MoS2通道的静电控制。

图4 (a) 多层MoS2结构的制备/转移流程示意；(b) 单层/双层MoS2薄膜的光学形貌；(c) 双层MoS2薄膜的AFM表面形貌结果；(d) 单层/双层MoS2薄膜的拉曼谱结果

图5 (a) 背栅极MoS2 FET阵列制备流程示意；(b) 利用无掩膜激光直写系统（MicroWriter）制备的MoS2 FET器件的表面光学形貌（利用MicroWriter特有的虚拟掩膜对准技术(VMA)，可以GX直观地在感兴趣区域实现图形曝光）；(c-f) 不同结构的MoS2 FET器件的输出特性及转移特性测量结果

图6 (a) 利用MicroWriter在Si/SiO2晶圆上制备的大范围MoS2 FET器件阵列，其中包含1层和2层MoS2；(b) 相应阵列区域的迁移率和阈值电压分布结果，证明其优异的均一特性

图7 (a) 双栅极MoS2器件的结构原理；(b) 利用无掩膜激光直写系统（MicroWriter）制备的大面积双栅极MoS2器件的形貌结果；(c, d) 2层MoS2双栅极器件的电学测量结果。

相关参考：
1. 小型无掩膜光刻直写系统：http://www.qd-china.com/products2.aspx?id=297
2. High-Performance Wafer-Scale MoS2 Transistors toward Practical Application. Small 2018, 1803465
3. Wafer-scale transferred multilayer MoS2 for high performance field effect transistors. Nanotechnology, 2019, 30,174002

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随着电子信息产业的高速发展，集成电路的需求出现了井喷式的增长。使得掩膜的需求急剧增加，目前制作掩膜的主要技术是电子束直写，但该制作效率非常低下，并且成本也不容小觑，在这种背景下人们把目光转移到了无掩膜光刻技术。

英国Durham Magneto Optics公司致力于研发小型台式无掩膜光刻直写系统（MicroWriter ML3），为微流控、MEMS、半导体、自旋电子学等研究领域提供方便GX的微加工方案。传统的光刻工艺中所使用的铬玻璃掩膜板需要由专业供应商提供，但是在研发过程中，掩膜板的设计通常需要根据实际情况多次改变。无掩膜光刻技术通过以软件设计电子掩膜板的方法，克服了这一问题。与通过物理掩膜板进行光照的传统工艺不同，激光直写是通过电脑控制DMD微镜矩阵开关，经过光学系统调制，在光刻胶上直接曝光绘出所要的图案。同时其还具备结构紧凑（70cm X 70cm X 70cm）、高直写速度，高分辨率（XY：<1 um）的特点。采用集成化设计，全自动控制，可靠性高，操作简便。

复旦大学微电子学院包文中教授课题组主要的研究领域包括二维层状材料的能带调控、器件工艺及应用，包括二硫化钼（MoS2），黑磷等。近日，其课题组利用小型台式无掩膜光刻直写系统（MicroWriter ML3）在新型二维层状材料MoS2的器件制备、转移和应用等方面取得了一系列瞩目的研究成果：

（一） SMALL: 高性能的具备实际应用前景的晶圆级MoS2晶体管

原子层级的过渡金属二硫化物（TMD）被认为是下一代半导体器件的重要研究热点。然而，目前绝大部分的器件都是基于层间剥离来获取金属硫化物层，这样只能实现微米级的制备。在本文中，作者提出一种利用化学气相沉积（CVD）制备多层MoS2薄层，进而改善所制备器件的相关性能。采用四探针法测量证明接触电阻降低一个数量级。进一步，基于该法制备的连续大面积MoS2薄层，采用小型无掩膜光刻直写系统（MicroWriter ML3）构筑了顶栅极场效应晶体管（FET）阵列。研究表明其阈值电压和场效应迁移率均有明显的提升，平均迁移率可以达到70 cm2V-1s-1，可与层间剥离法制备的MoS2 FETZ 好结果相媲美。本工作创制了一种规模化制备二维TMD功能器件和集成电路应用的有效方法。

图1. (a-e) 利用CVD法制备大面积多层MoS2的原理示意及形貌结果。(g, h, i, j) 单层MoS2边界及多层MoS2片层岛的AFM测试结果，拉曼谱及光致发光谱结果

图2. 利用无掩膜激光直写系统（MicroWriter）在MoS2薄层上制备的多探针（二探针/四探针）测量系统，以及在不同条件下测量的接触电阻和迁移率结果。证明所制多层MoS2的平均迁移率可以达到70 cm2V-1s-1

图3. 利用无掩膜光刻直写系统（MicroWriter）制备的大面积规模级MoS2 FET阵列，及其场效应迁移率和阈值电压的分布性测量结果，证明该规模级MoS2 FET阵列具备优异且稳定的均一特性

（二） Nanotechnology: 用于高性能场效应晶体管的晶圆级可转移多层MoS2的制备

利用化学气相沉积（CVD）制备半导体型过渡金属二硫化物（TMD）是一种制备半导体器件的新途径，然而实现连续均匀的多层TMD薄膜制备仍然需要克服特殊的生长动力学问题。在本文中，作者利用多层堆叠（layer-by-layer）及转移工艺，制备出均匀、无缺陷的多层MoS2薄膜。同时，利用无掩膜光刻直写系统（MicroWriter）在其基础上制备场效应晶体管（FET）器件。分别实现1层、2层、3层和4层MoS2 FET的制备，并深入研究不同条件下器件的迁移率变化，Z终发现随着MoS2堆叠层数的增加，电子迁移率随之增加，但电流开关比反而减小。综合迁移率和电流开关变化，2层/3层MoS2 FET是Z 优设计器件。此外，双栅极结构也被证明可以改善对多层MoS2通道的静电控制。

图4 (a) 多层MoS2结构的制备/转移流程示意；(b) 单层/双层MoS2薄膜的光学形貌；(c) 双层MoS2薄膜的AFM表面形貌结果；(d) 单层/双层MoS2薄膜的拉曼谱结果

图5 (a) 背栅极MoS2 FET阵列制备流程示意；(b) 利用无掩膜激光直写系统（MicroWriter）制备的MoS2 FET器件的表面光学形貌（利用MicroWriter特有的虚拟掩膜对准技术(VMA)，可以GX直观地在感兴趣区域实现图形曝光）；(c-f) 不同结构的MoS2 FET器件的输出特性及转移特性测量结果

图6 (a) 利用MicroWriter在Si/SiO2晶圆上制备的大范围MoS2 FET器件阵列，其中包含1层和2层MoS2；(b) 相应阵列区域的迁移率和阈值电压分布结果，证明其优异的均一特性

图7 (a) 双栅极MoS2器件的结构原理；(b) 利用无掩膜激光直写系统（MicroWriter）制备的大面积双栅极MoS2器件的形貌结果；(c, d) 2层MoS2双栅极器件的电学测量结果。

相关参考：

1. 小型无掩膜光刻直写系统：http://www.qd-china.com/products2.aspx?id=297

2. High-Performance Wafer-Scale MoS2 Transistors toward Practical Application. Small 2018, 1803465

3. Wafer-scale transferred multilayer MoS2 for high performance field effect transistors. Nanotechnology, 2019, 30,174002

2019-10-16 10:05:04 597 0

小型无掩膜光刻直写系统（MicroWriter）

小型台式无掩膜光刻直写系统（MicroWriter ML3）是英国Durham Magneto Optics公司专为实验室设计开发，为微流控、MEMS、半导体、自旋电子学等研究领域提供方便GX的微加工方案。传统的光刻工艺中所使用的铬玻璃掩膜板需要由专业供应商提供，但是在研发环境中，掩膜板的设计通常需要经常改变。无掩膜光刻技术通过以软件设计电子掩膜板的方法，克服了这一问题。与通过物理掩膜板进行光照的传统工艺不同，激光直写是通过电脑控制DMD微镜矩阵开关，经过光学系统调制，在光刻胶上直接曝光绘出所要的图案。同时其还具备结构紧凑（70cm X 70cm X 70cm）、高直写速度，高分辨率（XY：<1 um）的特点。采用集成化设计，全自动控制，可靠性高，操作简便。

前沿进展

（一） SMALL: 高性能的具备实际应用前景的晶圆级MoS2晶体管

原子层级的过渡金属二硫化物（TMD）被认为是下一代半导体器件的重要研究热点。然而，目前绝大部分的器件都是基于层间剥离来获取金属硫化物层，这样只能实现微米级的制备。在本文中，作者提出一种利用化学气相沉积（CVD）制备多层MoS2薄层，进而改善所制备器件的相关性能。采用四探针法测量证明接触电阻降低一个数量级。进一步，基于该法制备的连续大面积MoS2薄层，采用小型无掩膜光刻直写系统（MicroWriter ML3）构筑了顶栅极场效应晶体管（FET）阵列。研究表明其阈值电压和场效应迁移率均有明显的提升，平均迁移率可以达到70 cm2V-1s-1，可与层间剥离法制备的MoS2 FETZ好结果相媲美。本工作创制了一种规模化制备二维TMD功能器件和集成电路应用的有效方法。

图1. (a-e) 利用CVD法制备大面积多层MoS2的原理示意及形貌结果。(g, h, i, j) 单层MoS2边界及多层MoS2片层岛的AFM测试结果，拉曼谱及光致发光谱结果

图2. 利用无掩膜激光直写系统（MicroWriter）在MoS2薄层上制备多探针（二探针/四探针）测量系统，以及在不同条件下测量的接触电阻和迁移率结果。证明所制多层MoS2的平均迁移率可以达到70 cm2V-1s-1

图3. 利用无掩膜光刻直写系统（MicroWriter）制备的大面积规模级MoS2 FET阵列，及其场效应迁移率和阈值电压的分布性测量结果，证明该规模级MoS2 FET阵列具备优异且稳定的均一特性

（二） Adv. Funct. Mater.: 二维超薄非层状Cr2S3纳米片的气相沉积制备与拉曼表征

二维磁性材料在自旋磁电子学领域展现出巨大的应用价值，但是大部分已报道的磁性材料都是具备范德瓦尔斯作用的层状结构，这种结构可以通过简单的剥离方法获得。与之相反，非层状超薄磁性材料制备工艺复杂且非常稀少，其中Cr2S3就是一种典型的反铁磁性非层状材料。在本文中，作者通过改进化学气相沉积（CVD）方法，成功制备出超薄的非层状Cr2S3纳米片（厚度Z薄可达2.5 nm），并深入研究了材料的Raman振动模式及热导性，同时利用无掩膜激光直写系统（MicroWriter）在材料表面制备电极结构，测试一系列相关电学特性。

图4. 超薄Cr2S3纳米片的制备流程示意图及其光学形貌和AFM表面形貌

图5. (a) SiO2/Si基底表面的Cr2S3纳米片的AFM表面形貌，(b) 利用MicroWriter在Cr2S3纳米片上制备测量电极，测量材料随温度变化的I-V特性曲线，(c) 随温度变化的电导率测量结果及拟合曲线比较

（三） Adv. Optical Mater.: 通过对全无机三卤钙钛矿纳米晶的调控，制备出性能优良、空气稳定及可调谐的单分子层MoS2基混合光探测器件

全无机三卤钙钛矿纳米晶在过去的数年间受到广泛的关注，基于其优异的光物理特性和环境稳定性，该种新材料在混合光电器件研究领域备受关注。在本文中，作者制备出一种单层MoS2与三卤钙钛矿纳米晶结合的异质结光电器件，通过调节钙钛矿胶体浓度和表面配体量，进而实现调控该异质结器件的光电特性。在空气环境中，该异质结光电器件的光响应可达6.4×105 mA/W，同时表现出优异的热稳定性和工作稳定性。

图6. CsPbBr3 PNC/monolayer MoS2异质结光电器件的物理结构及工作机理示意

图7. 不同溶液浓度的钙钛矿前驱体所制备得到的异质结器件的光电特性比较

在该异质结的制备过程中，首先需要在所制备的单层MoS2表面制备Cr/Au电极，利用小型无掩膜光刻直写系统（MicroWriter），可以将所设计的电极图案直接在MoS2层表面进行曝光，避免由与制备图形掩膜版所带来的时间及工艺成本，同时利用MicroWriter所特有的虚拟掩膜对准（Visual Mask Alignment, VMA）功能，可以在实际图形曝光过程中，准确地找到MoS2目标位置，这样极大地提高了实验设计和实施的灵活性。

图8. CsPbBr3 PNC/monolayer MoS2异质结光电器件的制备流程，红色框所示为利用无掩膜激光直写系统（MicroWriter）所制备电极结构示意

图9. （左）利用MicroWriter制备的MoS2基器件的I-V特性曲线，其中所示单层MoS2形貌及表面电极；（右）MicroWriter虚拟掩膜功能（VMA）结果示意

文献汇总

2019年：

[1] Leonardi F, Zhang Q, Kim Y H, et al. Solution-sheared thin films of a donor-acceptor random copolymer/polystyrene blend as active material in field-effect transistors[J]. Materials Science in Semiconductor Processing, 2019, 93: 105-110.

[2] Mortet V, Drbohlavova L, Lambert N, et al. Conductivity of boron-doped diamond at high electrical field[J]. Diamond and Related Materials, 2019, 98: 107476.

[3] Armistead F J, De Pablo J G, Gadêlha H, et al. Cells Under Stress: An Inertial-Shear Microfluidic Determination of Cell Behavior[J]. Biophysical journal, 2019, 116(6): 1127-1135.

[4] Salzillo T, Campos A, Mas-Torrent M. Solution-processed thin films of a charge transfer complex for ambipolar field-effect transistors[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2019, 7(33): 10257-10263.

[5] Chen H, Liu G, Zhang S, et al. Fundus-simulating phantom for calibration of retinal vessel oximetry devices[J]. Applied optics, 2019, 58(14): 3877-3885.

[6] Zhang S, Xu H, Liao F, et al. Wafer-scale transferred multilayer MoS2 for high performance field effect transistors[J]. Nanotechnology, 2019, 30(17): 174002.

[7] Martin E L, Bryan M T, Pagliara S, et al. Advanced Processing of Micropatterned Elasto-Magnetic Membranes[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2019.

[8] Liu J, Singh A, Llandro J, et al. A low-temperature Kerr effect microscope for the simultaneous magneto-optic and magneto-transport study of magnetic topological insulators[J]. Measurement Science and Technology, 2019.

[9] Ye K, Liu L, Liu Y, et al. Lateral Bilayer MoS2–WS2 Heterostructure Photodetectors with High Responsivity and Detectivity[J]. Advanced Optical Materials, 2019: 1900815.

[10] Gilboa T, Zvuloni E, Zrehen A, et al. Automated, Ultra‐Fast Laser‐Drilling of Nanometer Scale Pores and Nanopore Arrays in Aqueous Solutions[J]. Advanced Functional Materials, 2019: 1900642.

[11] You H, Zhuo Z, Lu X, et al. 1T′-MoTe2-Based On-Chip Electrocatalytic Microdevice: A Platform to Unravel Oxidation-Dependent Electrocatalysis[J]. CCS Chemistry, 2019: 396-406.

[12] Fan X, Wei G, Lin X, et al. Phase-Change Based Interlayer Exchange Coupling Control[J]. arXiv preprint arXiv:1907.10784, 2019.

[13]Zhang Q, Leonardi F, Pfattner R, et al. A Solid‐State Aqueous Electrolyte‐Gated Field‐Effect Transistor as a Low‐Voltage Operation Pressure‐Sensitive Platform[J]. Advanced Materials Interfaces, 2019: 1900719.

[14] Yang R, Liu L, Feng S, et al. One-Step Growth of Spatially Graded Mo1-xWxS2 Monolayer with Wide Span in Composition (from x= 0 to 1) at Large Scale[J]. ACS applied materials & interfaces, 2019.

[15] Zhang L, Shen S, Li M, et al. Strategies for Air‐Stable and Tunable Monolayer MoS2‐Based Hybrid Photodetectors with High Performance by Regulating the Fully Inorganic Trihalide Perovskite Nanocrystals[J]. Advanced Optical Materials, 2019: 1801744.

[16] Zhou S, Wang R, Han J, et al. Ultrathin Non‐van der Waals Magnetic Rhombohedral Cr2S3: Space‐Confined Chemical Vapor Deposition Synthesis and Raman Scattering Investigation[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 29(3): 1805880.

[17] Chen Y, Casals B, Sanchez F, et al. Solid-State Synapses Modulated by Wavelength-Sensitive Temporal Correlations in Optic Sensory Inputs[J]. ACS Applied Electronic Materials, 2019.

[18] Gu Y, Oliferenko S. Cellular geometry scaling ensures robust division site positioning[J]. Nature communications, 2019, 10(1): 268.

2018年：

[1] Wei G, Lin X, Si Z, et al. Optical control of magnetism in NiFe/VO2 heterostructures[J]. arXiv preprint arXiv:1805.02453, 2018.

[2] Davydova M, Taylor A, Hubík P, et al. Characteristics of zirconium and niobium contacts on boron-doped diamond[J]. Diamond and Related Materials, 2018, 83: 184-189.

[3] Campos A, Riera-Galindo S, Puigdollers J, et al. Reduction of charge traps and stability enhancement in solution-processed organic field-effect transistors based on a blended n-type semiconductor[J]. ACS applied materials & interfaces, 2018, 10(18): 15952-15961.

[4] Jia Z, Hu W, Xiang J, et al. Grain wall boundaries in centimeter-scale continuous monolayer WS2 film grown by chemical vapor deposition[J]. Nanotechnology, 2018, 29(25): 255705.

[5]Tarn M D, Sikora S N F, Porter G C E, et al. The study of atmospheric ice-nucleating particles via microfluidically generated droplets[J]. Microfluidics and nanofluidics, 2018, 22(5): 52.

[6] Jin B, Huang P, Zhang Q, et al. Self‐Limited Epitaxial Growth of Ultrathin Nonlayered CdS Flakes for High‐Performance Photodetectors[J]. Advanced Functional Materials, 2018, 28(20): 1800181.

[7] Vallès F, Palau A, Rouco V, et al. Angular flux creep contributions in YBa2Cu3O7−δ nanocomposites from electrical transport measurements[J]. Scientific reports, 2018, 8(1): 5924.

[8] Lόpez-Mir L, Frontera C, Aramberri H, et al. Anisotropic sensor and memory device with a ferromagnetic tunnel barrier as the only magnetic element[J]. Scientific reports, 2018, 8(1): 861.

[9] Xu H, Zhang H, Guo Z, et al. High‐Performance Wafer‐Scale MoS2 Transistors toward Practical Application[J]. Small, 2018, 14(48): 1803465.

2019-10-18 10:47:51 598 0

无掩膜直写光刻系统助力二维材料异质结构电输运性能研究，意大利

期刊：ACS Nano

IF：18.027

文章链接: https://doi.org/10.1021/acsnano.1c09131

【引言】

MoS2是一种典型的二维材料，也是电子器件的重要组成部分。研究者发现，当MoS2与石墨烯接触会产生van der Waals作用，使之具有良好的电学特性，可广泛应用于各类柔性电子器件、光电器件、传感器件的研究。然而，MoS2-石墨烯异质结构背后的电输运机理尚不明确。这主要是因为传统器件只有两个接触点，不能将MoS2-石墨烯异质结构产生的电学输运特性与二维材料自身的电学特性所区分。此外，电荷转移、应变、电荷在缺陷处被俘获等因素也会对器件的电输运性能产生影响，进一步提高了相关研究的难度。尽管已有很多文献报道MoS2-石墨烯异质结构的电输运性能，但这些研究主要基于理论计算，缺乏对MoS2-石墨烯异质结构的电输运性能在场效应器件中的实验研究。

【成果简介】

2021年，意大利比萨大学Ciampalini教授课题组利用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3 制备出基于MoS2-石墨烯异质结构的多场效应管器件，在场效应管器件中直接测量了MoS2-石墨烯异质结构的电输运特性。通过比较MoS2的跨导曲线和石墨烯的电流电压特性，发现在n通道的跨导输运被抑制，这一现象明显不同于传统对场效应的认知。借助第一性原理计算发现这一独特的输运抑制现象与硫空位相关。

本文中所使用的小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3无需掩膜版，可在光刻胶上直接曝光绘出所要的图案。设备采用集成化设计，全自动控制，可靠性高，操作简便，同时其还具备结构紧凑（70cm X 70cm X 70cm）、高直写速度，高分辨率（XY：<1 μm）等特点。灵活多变的前沿光刻技术，有助于MoS2-石墨烯异质结构的多场效应管器件的研发。

【图文导读】

图1. 多场效应管器件结构。（a）通过化学气相沉积法合成的石墨烯。（b）同样用气相沉积法合成的MoS2。（c）多场效应管器件的光学照片。右侧示意图中AB为石墨烯作为接触点的MoS2场效应管，CD为MoS2-石墨烯异质结构场效应管。

图2. MoS2-石墨烯异质结构的拉曼测量结果。（a）MoS2被转移到石墨烯前和转移后的MoS2拉曼测量结果。（b）MoS2拉曼光谱中A1g峰与E2g峰的变化关系。图中红色实线代表MoS2无应变时A1g峰与E2g峰间的变化关系，蓝色实线代表无掺杂时A1g峰随E2g峰的变化。（c）在MoS2-石墨烯异质结构中A1g峰的图谱。（d）石墨烯未被MoS2覆盖和被覆盖后的拉曼结果。（e）石墨烯拉曼光谱中2D峰与G峰间的关系图。图中红色实线代表无应变时2D峰与G峰间的变化关系，蓝色实线代表无掺杂时2D峰随着G峰的变化。（f）在MoS2-石墨烯异质结构中2D峰的图谱。

图3. MoS2-石墨烯异质结构的光致萤光光谱（PL）测量结果。（a）有石墨烯时MoS2的PL光谱（橘色），无石墨烯时MoS2的PL光谱（蓝色）。通过高斯拟合，获得A和B激子吸收峰的位置。（b）MoS2-石墨烯异质结构中A激子吸收峰的强度。（c）A激子吸收峰在MoS2-石墨烯异质结构中的半高宽图谱。

图4. MoS2的输运特性。（a）室温条件下，MoS2在0-80V的VG范围内的I-V特性曲线。（b）转移特性显示出强烈的迟滞。红色箭头表面扫频方向，红色虚线为场效应移动的预计值。其中插图为测量器件的光学照片，电极用黑色圆点表示。

图5. MoS2覆盖层对石墨烯的电子输运的影响。（a，b）石墨烯上不同MoS2覆盖面积的器件光学照片。（c-g）石墨烯上不同MoS2覆盖面积的转移特性，黑色覆盖率0%，橘色48%，蓝色 55%，黄色69%，紫色79%。

图6. 硫空位对场效应的影响。（a）MoS2-石墨烯界面的能带结构和态密度。（b）不同门电压条件下，场效应所导致的电子和空位的分布。蓝色表示电子，红色表示空位。（c，d）在不同门电压条件下，MoS2-石墨烯界面的侧视图以及硫空位（绿色）的位置。

图7. 不同硫空位密度条件下，石墨烯导电性能计算值。

【结论】

Ciampalini教授课题组首先制备了MoS2-石墨烯二维材料的异质结构，在此基础上使用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3制备了多场效应管器件。通过对多场效应管器件的直接测量，发现了MoS2覆盖层对石墨烯电输运性能的独特抑制作用。为了更好地理解这一独特电输运现象，采用第一性原理的方法，计算了硫空位对石墨烯导电性能的影响。该工作为后续的石墨烯场效应电学及光电器件的研究和应用打下良好的基础。同时，从文中也可以看出，课题组最主要的优势是能够制备出基于MoS2-石墨烯异质结构的多场效应管器件。在制备该器件过程中，需要及时修改相应的参数，得到优化的实验结果，十分依赖灵活多变的光刻手段，小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3可以任意调整光刻图形，对二维材料进行精准套刻，帮助用户快速实现器件制备，助力电输运研究。

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

2023-06-14 16:49:45 248 0

无掩膜直写光刻系统助力二维材料异质结构电输运性能研究，意大利科学家揭秘其机理！

期刊：ACS Nano

IF：18.027

文章链接: https://doi.org/10.1021/acsnano.1c09131

引言

成果简介

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图文导读

图7. 不同硫空位密度条件下，石墨烯导电性能计算值。

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结论

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

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2023-06-29 10:11:54 255 0

成果速递|超高分辨散射式近场光学显微镜在超快研究领域ZX应用

近年来，范德瓦尔斯（vdW）材料中的表面极化激元(SP)研究，例如等离极化激元、声子极化激元、激子极化激元以及其他形式极化激元等，受到了广大科研工作者的关注，成为了低维材料领域纳米光学研究的热点。其中，范德瓦尔斯原子层状晶体存在独特的激子极化激元，可诱导可见光到太赫兹广阔电磁频谱范围内的光学波导。同时，具有较强的激子共振可以实现非热刺激（包括静电门控和光激发）的光波导调控。

前期的众多研究工作表明，扫描近场光学显微镜（SNOM）已经被广泛用于稳态波导的可视化表征，非常适合评估范德瓦尔斯半导体的各向异性和介电张量。 如上所述，范德瓦尔斯材料中具有异常强烈的激子共振，这些激子共振能产生吸收和折射光谱特征，这些特征同样被编码在波导模式的复波矢量qr中，鉴于范德瓦尔斯半导体在近红外和可见光范围内对ab-平面的光学极化率有重大影响，因此引起了人们的研究兴趣。

2020年7月，美国哥伦比亚大学Aaron J. Sternbach和D.N. Basov教授等研究者在Nature Communications上发表了题为：”Femtosecond exciton dynamics in WSe₂ optical waveguides”的研究文章。研究者以范德瓦尔斯半导体中的WSe₂材料为例，利用德国neaspec公司的纳米空间分辨超快光谱和成像系统，通过飞秒激光激发研究了WSe₂材料中光波导在空间和时间中的电场分布，并成功提取了飞秒光激发后光学常数的时间演化关系。同时，研究者也通过监视波导模式的相速度，探测了WSe2材料中受激非相干的A-exciton漂白和相干的光学斯塔克（Stark）位移。 原文导读：

① 在纳米空间分辨超快光谱和成像（tr-SNOM）实验中（图1，a），研究者首先将Probe探测光（蓝色）照到原子力显微镜（AFM）探针JD的顶点上，从探针JD顶点（光束A）散射回的光被离轴抛物面镜（OAPM）收集并发送到检测器。同时，WSe₂材料的中的波导被激发并传播到样品边缘后，进而波导被散射到自由空间（光束B）。第二个Pump泵通道（红色）可均匀地扰动样本并改变波导的传播。通过在WSe₂/SiO₂界面处的近场tr-SNOM的振幅图像（图1b）可明显观察到约120 nm厚WSe₂材料边缘（白色虚线）处形成的特征周期条纹—光波导电场分布。研究者进一步通过定量分析数据，分别获取了稳态和光激发态下，WSe₂中波导的光波导的相速度q1,r和q1,p。

图1：纳米空间分辨超快光谱和成像系统对WSe₂材料中光波导的纳米成像结果。

a:实验示意图（蓝色为Probe光，红色为Pump光）；b：近场纳米光学成像 c: 在稳态下，WSe₂边缘的近场光学振幅图像；d: 光激发态下，延迟时间 Δt=1ps的WSe₂边缘的近场光学振幅图像；e: 分别对c、d进行截面分析，获取定量数据。Probe探测能量，E=1.45 eV

② 研究者通过变化Probe探测能量范围（1.46–1.70 eV）及其理论计算成功获取了WSe₂晶体稳态下的色散关系和理论数据显示A-exciton所对应的能量。

图2：WSe₂晶体稳态动力学的时空纳米成像研究。

a: 不同Probe能量的近场光学振幅；b: 傅里叶变换（FT）分析; c: Lorentz拟合的WSe₂块体材料介电常数面内组成；d: 基于Lorentz模型理论计算的能量动量分布（吸收光谱）。Probe探测能量，E 1.46–1.70 eV。

③ 为了进一步研究光激发下WSe₂中波导的色散和动力学，研究者进一步在90 nm的WSe₂材料上，通过探测能量E = 1.61 eV，泵浦能量E = 1.56 eV，泵浦功率1.5 mW的实验条件进行了一列的纳米空间分辨超快光谱和理论研究。研究结果表明（图3a,b），研究者成功获取到了不同延迟时间Δt与δq2和δq1的关系。结果表明：光激发后的DY个ps内，虚部q2（图3a）突然下降（δq2<0）并迅速恢复。另一方面，理论计算结果（图3，c）显示了在A-exciton附近（黑色虚线箭头），初始能量Ex处，稳态（黑色虚线）和激发态A-exciton能量Ex’（蓝色箭头）分别的色散关系。

为了弄清各种瞬态机制，微分色散关系被研究者引入。首先，研究者定义了微分关系：δqj=qj,p – qj,r，（j=1,2 分别代表波矢的实部和虚部，p, pump激发态，r 稳态）。研究者的理论及实验微分色散关系结果（图3 d、e）成功显示了光诱导转变中A-exciton的动力学行为。结果表明：A-exciton附近微分色散的特征是由两个伴随效应引起的：（i）仅在Δt=0时观察到的A-exciton的7 meV蓝移；（ii）A-exciton的漂白（定义为光谱频谱展宽和/或振荡强度降低（见图3d）。趋势（i）在1 ps内恢复，与YZ耗散的动力学一致（图3a）。因此，研究者得出结论，A-exciton共振的瞬态蓝移是由于相干的光诱导过程所引起。趋势（ii）持续时间更长，因此归因于非相干激子动力学。

图3：WSe₂中波导模的微分色散和动力学研究。

a: δq2与Δt曲线；b: δq1与Δt曲线; c: 平衡和非平衡条件下洛伦兹模型计算的色散关系；d: 理论微分色散关系；e: 实验微分色散关系

综上所述，波导的瞬态纳米超快成像使我们能够以亚皮秒（ps）时间分辨率来量化光诱导变化的WSe2光学特性。研究者在WSe2上成功观察到了光诱导相速度的大幅变化，这表明所观察到的效应可能在范德瓦尔斯半导体中普遍存在。此外，研究者的研究结果表明，我们可以按需调谐范德瓦尔斯半导体的光学双折射行为。另一方面，研究者的工作开创性地发展了利用tr-SNOM探测超快激子动力学的工作，并为利用波导作为定量光谱学工具研究纳米级光诱导动力学铺平了道路。研究者认为这种超快泵浦探测方法的高空间和时间分辨率，可能同样适用于新奇拓扑材料中的边缘模式和边缘效应的研究。

neaspec公司利用十数年在近场及纳米红外领域的技术积累，开发出的全新纳米空间分辨超快光谱和成像系统，其Pump激发光可兼容可见到近红外的多组激光器，Probe探测光可选红外（650-2200 cm^-1）或太赫兹（0.5-2 T）波段，实现了在超高空间分辨（20 nm）和超高时间分辨（50 fs）上对被测物质的同时表征，可广泛用于二维拓扑材料、范德瓦尔斯（vdW）材料、量子材料的超快动力学研究。

参考文献：

[1]. Aaron J. Sternbach et.al. Femtosecond exciton dynamics in WSe2 optical waveguides, Nature Communications , 11, 3567 (2020)；https://www.nature.com/articles/s41467-020-17335-w

2020-09-03 12:37:49 473 0

科学物理Z新成果:

复旦大学材料科学系倪秀元课题组怎么样:

文献速递ㅣ动物活体成像系统在白血病耐药机制研究中的应用

慢性髓系白血病(Chronic myeloid leukemia, CML)是一种由造血干细胞染色体t(9；22)(q34；q11)易位引起，并在分子水平上形成Bcr-Abl融合基因的骨髓增生性疾病。使用酪氨酸激酶抑制剂(Tyrosine kinase inhibitors, TKIs)可以缓解疾病，但TKIs耐药性是治疗失败或诱发急性白血病的主要问题。

根据Abl激酶结构域点突变的不同，TKIs的耐药机制主要包括Bcr-Abl依赖型和非Bcr-Abl依赖型。Bcr-Abl依赖型的耐药性最常见，它会干扰小分子酪氨酸激酶抑制剂伊马替尼（Imtatinib, IM）结合和随后的激酶抑制。然而，超过50%的耐药CML患者中并没有Bcr-Abl突变。

▲ 慢性髓系白血病

蛋白激酶C(Protein kinases C, PKCs)在细胞周期调节、增殖、凋亡和造血干细胞分化等多种细胞过程中发挥作用，并和Bcr-Abl协调参与对恶性细胞转化至关重要的几种信号通路。实验和临床证据表明，使用PKC抑制剂可以有效地治疗CML。最近，不同的PKC亚型也被报道参与CML细胞的耐药，但是，PKC信号在CML TKIs耐药中的作用并不清楚。

▲ 蛋白激酶C的晶体结构

近日，贵州医科大学王季石教授课题组根据先前的研究结果：一种泛PKCs抑制剂星孢菌素(Stauroporine)在低浓度下可以有效地逆转K562R细胞(没有任何突变)的IM耐药，因此推测Bcr-Abl非依赖型IM耐药可能是由PKC亚型介导。在此基础上，鉴于白血病干细胞(Leukemia stem cells)在CML TKIs耐药中起基础性作用，研究首次在Bcr-Abl非依赖型TKI耐药的CML患者CD34+细胞中检测到9种PKCs亚型的表达。对PKC亚型异常表达所介导的机制进行深入研究时，使用博鹭腾AniView100多模式动物活体成像系统拍摄的活体成像实验结果，从体内进一步证明PKC-β的过表达与肿瘤耐药密切相关，表明靶向PKC-β过表达可能是克服CML耐药的一种新的治疗机制。

相关成果已发表在期刊《Journal of Cellular Physiology》。

▲抑制PKC-β可增强IM对CML细胞的体内杀伤作用

(a) 博鹭腾AniView100拍摄的不同药物处理的CML小鼠模型中白血病细胞的活体示踪成像图。LY333531: PKCβ 抑制剂。

(b) 流式细胞仪检测各组小鼠CD33+和CD45+细胞。

(d) 各组小鼠的生存曲线。

(e、f) 比较各组小鼠脾脏体积和重量。

(g、h) Wright‘s染色检测各组小鼠外周血中CML的进展情况。统计学处理采用t检验。**表示p<0.01，*表示p<0.05。

参考文献

1、Ma D, et al. PKC‐β/Alox5 axis activation promotes Bcr‐Abl‐independent TKI‐resistance in chronic myeloid leukemia[J]. Journal of Cellular Physiology, 2021.

2、Zubair M S, et al. Cembranoid Diterpenes as Antitumor: Molecular Docking Study to Several Protein Receptor Targets[C]// International Conference on Computation for Science & Technology. 2015.

2021-08-20 17:33:32 464 0

包信和的主要成果:

文献速递ㅣ多模式活体成像系统在肝癌药物载体研究中的应用

肝癌是最常见的致命癌症之一。目前临床上主要采用手术切除癌变肝组织，同时以化疗、放疗等方式阻止正常肝细胞被感染恶化来治疗肝癌；但是，化疗会滥杀滥伤各组织的正常细胞，并产生极大的副作用，而且在肝癌细胞发生转移或再生后也难以治愈。

因此，设计与制造出更好的用于肝癌治疗的药物，是医药研究人员亟待解决的难题。如何提高药物疗效，不仅可以从药物结构本身出发，而且可以从药物载体入手。选择新型药物载体或靶向基团，可以使有效药物分子直接作用于癌症患处，提高药物靶向性，减少药物对正常组织的伤害，减轻患者的疼痛。

近日，辽宁新药研发重点实验室李丽教授课题组成功构建并制备了两种甘草次酸修饰的金属有机框架药物载体，并通过组织分布和活体成像实验，验证载体具有明显的肝靶向性。该成果已发表在纳米技术与精密工程领域国际权威期刊《Nanotechnology》。

1. 甘草次酸（GA）

甘草次酸（Glycyrrhetininc Acid，GA）是从中草药甘草中提取分离出来的具有抗炎、抗病毒、抗溃疡等多种药理活性的甘草酸苷元。近期研究发现，在肝细胞膜上镶嵌着许多GA特异性受体，可与GA特异性结合，因此，GA作为药物靶向分子进行修饰的药物载体已经成为研究热点和一种新的靶向性治疗肝癌的有效途径。

2. 金属有机框架（MOFs）

金属有机框架材料（Metal-organic Frameworks，MOFs），是一类通过组装无机金属离子与有机配体形成的具有多孔隙、高比表面积的新型材料。它的最大的优点是具有良好的生物相容性，而且会在体内特定环境中自行分解，减少药物在体内的副作用，降低耐药性，提高药物治 LX率。

通过在MOFs表面修饰GA，可以实现MOFs的肝靶向性，并且MOFs的孔隙率高，具有超大比表面积，可以有效装载药物，提高载药能力。

两种MOFs载体：Uio-66-COOH-1,4-丁二胺-GA与UiO-66-NH2-GA。

3. 小鼠体内靶向性研究

DiR荧光染料，DiR＠Uio-66-COOH-1,4-丁二胺-GA和DiR＠Uio-66-ＮＨ2-GA 在小鼠体内不同时间段的荧光成像图

DiR荧光染料，DiR＠Uio-66-COOH-1,4-丁二胺-GA和DiR＠Uio-66-ＮＨ2-GA 在心、肝、脾、肺、肾的荧光成像图

关于多模式动物活体成像系统

AniView100多模式动物活体成像系统是广州博鹭腾生物科技有限公司全新推出的高灵敏度、多模式动物活体成像系统。其采用一级背部薄化、背部感光超低温CCD相机，具有极高的检测灵敏度。大功率全波长卤素灯激发光源配合精密复杂的全局光源和万向鹅颈管点状光源光路系统，再加上顶级的光谱转换能力和多组滤光片组合，极大的提高了荧光信号的特异性，并大大缩短曝光时间。

2021-08-26 17:16:31 524 0

NBR综述：痛觉研究重要进展！尤浩军教授课题组提出痛觉内源性调控新理念

疼痛是一种不愉快的感觉和情感体验，其产生与实际存在或潜在的组织损伤有关。进入21世纪，疼痛已被WHO（世界卫生组织）和IASP（国际疼痛研究协会）认为是除呼吸、脉搏、体温和血压这四大生命体征之外的“第五大生命体征”，由此体现了疼痛研究在生命和健康科学研究领域的重要性。近年来，得益于分子生物学技术的快速发展，疼痛研究在细胞和分子水平上取得了长足的进展。然而，疼痛学基础研究与临床治疗之间仍存在着明显的脱节现象。尤其是疼痛的生理和病理机制，特别是病理性痛的产生、维持和调控机制仍未阐明，相关临床治疗/效果也不佳。近年来，延安大学“感觉与运动疾病转化医学研究中心”尤浩军教授课题组对痛觉内源性调控作用及其可塑变化开展了较为细致的研究。2022年8月，课题组在Neuroscience and Biobehavioral Reviews（中科院大类一区Top期刊）上发表题为“Thalamus：The ‘promoter’ of endogenous modulation of pain and potential therapeutic target in pathological pain”科研论文。该论文聚焦病理性疼痛的诱导、发生和发展相关科学问题，回顾了百年疼痛研究中所遇到的科学问题及临床疼痛治疗难点，提出相关科学问题，据此重点阐述了以丘脑作为启动子（Promotor）在外周伤害性信息的传入识别和痛觉内源性调控中的作用及相关机制。

通过回顾百余年来疼痛学研究进展，该综述分别论述了疼痛学三大理论（特异学说、型式学说和闸门学说）的内容及相关局限性，辨析了疼痛学基础研究和临床治疗应用中存在的矛盾现象。例如，上述疼痛学三大理论均不能对痛觉中/枢敏化现象的维持和发展给予很好的解释。在此基础上，结合课题组发表的系列相关科研成果（15篇SCI论文），作者创新性提出了以丘脑（MD核和VM核）为启动子（Promotor）介导的痛觉内源性调控时空特异科研假说，为疼痛学特异性、型式和闸门学说提供了全新扩展。在文章中，作者创新性地提出围绕“丘脑内侧背侧核（MD）-扣带皮层-背外侧中脑导水管周围灰质/背柱-脊髓背角浅层（Ⅰ-Ⅱ层）”和“丘脑腹内侧核（VM）-岛叶皮质 - 腹外侧中脑导水管周围灰质-背外侧索-脊髓背角深部（Ⅳ-Ⅵ层）”的痛觉内源性调控双特异通路，进而分别执行迥异的痛觉内源性易化和抑/制调控作用。

（图1，丘脑介导的痛觉内源性调控双特异通路示意图）

上述科研假说全新阐释了当前痛觉研究所面临的相关关键科学问题，如痛觉中/枢敏化的含义，a片“镇痛-痛敏”现象，针刺镇痛与“小痛镇大痛”的相关科学问题等，尤其针对病理性痛的临床治疗，该论文进一步提出了“不引起明显痛感”43℃温热物理治痛和翻转“痛觉内源性下行易化和下行抑/制激活阈值”的药物治痛新理念。

（图2，丘脑“痛觉识别器”控制的内源性痛觉下行控制触发阈值变化示意图）

综上，文章提出的创新性理念为生理学、神经科学、针灸学、康复学及麻醉学涉及痛与镇痛的基础科研及临床治疗提供了新思路和治疗方案。上述系列论点也得到Neuroscience and Biobehavioral Reviews审稿人和编辑的肯定性评价，认为具有科研原创性和新颖性。该文章极大地完善并丰富了现有的疼痛学理论和调控机制，为疼痛学基础研究和临床治疗提供了重要参考。
论文原文链接：https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2022.104745

延安大学“感觉与运动疾病转化医学研究中心”课题组简介

延安大学“感觉与运动疾病转化医学研究中心”（简称“感运中心”）一直致力于痛觉基础研究与临床治疗转化医学研究工作。通过紧密围绕“痛觉内源性调控作用及机制”这一科学问题，感运中心团队对生理及病理状态下的痛觉内源性调控作用及机制给予了较为系统的观察和研究，提出了系列科研新论点：（1）“痛觉内源性调控时空影响”论点；（2）“不引起明显痛感”温针治痛新理念;（3）丘脑介导的“超前镇痛”麻醉镇痛新观点，为疼痛学、麻醉学、康复医学、中医学等相关领域内的基础和临床工作者对“痛与治痛”神经调控机制的深入理解和有效治疗（如中医“灸法”治痛）提供了新资料和证据。

团队现有教授4名，副教授3人，讲师5人，硕/博士研究生20余人，课题组骨干成员均有海外留学背景。目前，团队已主持和/或完成近20项国内、外科研基金，其中11项国家自然科学基金项目。团队成员在“Neuroscience and Biobehavioral Reviews”、“J.Physiol.”、“Pain”和“Neuroscience”等国际专业性学术杂志上发表SCI论文50余篇，研究成果得到较为广泛引用。

2022-10-17 09:20:40 243 0

NBR综述：痛觉研究重要进展！尤浩军教授课题组提出痛觉内源性调控新理念

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文献精读第33期

文章概述

成瘾复发是a片类药物导致死亡的主要原因。已有的研究表明，伏隔核（Nucleus Accumbens core, NAcore）中突触谷氨酸失调是成瘾行为复发的一个关键因素。在动物成瘾模型中，谷氨酸失调在很大程度上是由于表达谷氨酸转运体GLT-1的NAcore星形胶质细胞发生了变化，包括星形胶质细胞的突起从神经元突触上缩回以及星形胶质细胞GLT-1的表达下调，但是它们在成瘾复发中的作用和机制仍然有待进一步明确。

2022年8月10日，南卡罗莱纳医科大学的研究人员在《Science Advances》杂志上发表题为“Plasticity in astrocyte subpopulations regulates heroin relapse”的文章。该研究揭示了大鼠NAcore中表达GLT-1的星形胶质细胞是如何适应并促进hailuoyin寻求的。hailuoyin线索会导致NAcore中不同的星形胶质细胞亚群产生两种短暂的可塑性：一个亚群的细胞突起与神经元突触的邻接性增加，另一个亚群中星形胶质细胞的GLT-1在神经元突触外表达增加。抑/制星形胶质细胞上述两种可塑性会促进线索诱导的hailuoyin寻求。该研究结果表明，hailuoyin线索会通过短暂诱导星形胶质细胞亚群不同形式的可塑性来抑/制hailuoyin的复吸，这也为药物成瘾复发的治疗提供了一种有前景的途径。

核心观点

1、hailuoyin线索会在不同的星形胶质亚群中产生两种短暂的可塑性：其中一个亚群的细胞突起与邻近神经元突触的邻接性增加；而在另一个亚群中，星形胶质细胞GLT-1的表达在邻近神经元的突触外显著增加；

2、通过反义核酸靶向抑/制上述星型胶质细胞亚群的两种短暂可塑性会促进线索诱导的hailuoyin寻求；

3、hailuoyin线索会选择性地增加星形胶质细胞的突起与D2中型多棘神经元（Medium Spiny Neurons, MSNs）树突突触的邻接性，而星形胶质细胞GLT-1在神经元突触外的表达增加则无神经元亚型特异性。

研究结果分析

1. hailuoyin线索导致星形胶质细胞表面近端GLT-1的表达短暂升高

为了探讨NAcore星形胶质细胞在hailuoyin寻求中的变化机制，作者利用操作性学习的自身给药范式来模拟动物成瘾-戒断-复发行为，并利用膜结合的荧光报告基因对NAcore星形胶质细胞进行了标记。大鼠在训练后接受10天的自身给药（hailuoyin或蔗糖）、10天的戒断、以及部分小鼠接受随后的线索诱导hailuoyin寻求（不给予实际的hailuoyin或蔗糖奖励，其中线索诱导15分钟作为药物渴望或寻求的结果，线索暴露120分钟作为线索戒断的结果）。在对大鼠NAcore切片突触前的Synapsin I 和GLT-1进行免疫标记后，利用共聚焦显微镜进行成像。

免疫组化结果显示，在hailuoyin戒断后，星形胶质细胞质膜与Synapsin I的共定位减少，GLT-1的总表达减少，但是GLT-1在星形胶质细胞表面的比例没有改变。在戒断之后，15分钟的线索诱导增加了hailuoyin组大鼠星形胶质细胞与突触的接触，以及表面近端（表面250nm内）GLT-1表达高水平星形胶质细胞的比例。这种突触近端星形胶质细胞突起和GLT-1表面水平的增加都是短暂的，在120分钟的线索暴露后会恢复到戒断水平，这一时间过程与成瘾复发期间细胞外谷氨酸的上升和下降相平行。hailuoyin戒断导致了GLT-1与Synapsin I的共定位减少。尽管hailuoyin寻求会导致星形胶质细胞表面近端GLT-1的增加，但是并不能恢复阶段后GLT-1与Synapsin I的共定位，相反，线索诱导的表面近端GLT-1的增加都是在突触之外的。

2. hailuoyin线索诱导的星形胶质细胞可塑性表现出细胞亚群异质性

hailuoyin线索诱导15分钟后，星形胶质细胞与突触的邻近性短暂增加，但表面近端GLT-1的表达增加没有与Synapsin I共定位，这表明这些线索诱导的星形胶质细胞可塑性可能发生在不同的星形胶质细胞亚群中。利用主成分分析，根据星形胶质细胞与突触的邻接性和表面近端GLT-1的水平，作者将NAcore中的星形胶质细胞分成了高突触邻接性（1型）、表面近端GLT-1高水平（2型）、以及低至中度突触邻接和表面GLT-1表达（3型）三个亚群。生理盐水组大鼠的大部分NAcore星形胶质细胞主要为1型和3型。hailuoyin戒断大鼠中1型星形胶质细胞减少，2型星形胶质细胞增加。15分钟的hailuoyin线索诱导导致1型星形胶质细胞短暂恢复，2型星形胶质细胞质比例进一步增加。120分钟的hailuoyin线索暴露后，3型星形胶质细胞占主导地位。

3. 在NAcore星形胶质细胞中，Gq信号增加了细胞突起与突触的邻接性，但不增加细胞表面GLT-1的水平

培养的星形胶质细胞上，Gq偶联信号通过代谢性谷氨酸受体mGluR5促进ezrin依赖的星形胶质细胞突起精细的运动。为了确定Gq型mGluR信号是否会触发线索诱导的星形胶质细胞突起运动，作者在线索诱导时利用化学遗传学的方法激活NAcore星形胶质细胞，并对星形胶质细胞的突触邻接性和表面近端GLT-1的表达进行了分析。星形胶质细胞激活增加了星形胶质细胞突起与Synapsin I的共定位，但不影响表面近端GLT-1水平。这些数据表明，在药物寻求过程中，Gq信号在NAcore星形胶质细胞中能够触发形态可塑性，而突触外GLT-1表达的增加可能涉及不同的信号级联。

4.在星形胶质细胞亚群中，线索诱导的可塑性降低会增加hailuoyin寻求

为了确定线索诱导的1型和2型星形胶质细胞塑性是否影响hailuoyin寻求，作者在动物戒断后利用反义核酸特异性的阻断GLT-1或ezrin。hailuoyin线索诱导15分钟后，大鼠的hailuoyin寻求恢复，ezrin或GLT-1基因的下调增强了动物对hailuoyin的渴求。因此，1型或2型星形胶质细胞可塑性在线索诱导的hailuoyin寻求过程中起着抑/制hailuoyin渴求的代偿作用。形态学结果表明，ezrin敲除降低了NAcore星形胶质细胞的突触邻接性，而GLT-1敲除进一步降低了GLT-1的总水平，并阻断了线索诱导的表面近端GLT-1的表达增加。此外，GLT-1敲除不改变NAcore星形胶质细胞的突触邻近性，ezrin敲除不影响GLT-1总水平或表面近端GLT-1水平。正如预期的那样，GLT-1或ezrin的独立敲除降低了GLT-1与Synapsin I的共定位。

5. 在hailuoyin成瘾及复发前后，NAcore星形胶质细胞与D1-MSNs和D2-MSNs形成有差异的关联

NAcore中两个主要的神经元亚型D1-MSNs和D2-MSNs的活性分别驱动药物寻求和寻求消退。因此，作者推测NAcore中不同类型的星形胶质细胞与D1-MSNs和D2-MSNs独特相关，从而有助于它们在减少线索诱导的hailuoyin寻求方面的功能作用。为了验证这一假设，作者在动物训练前对D1和D2神经元进行了标记，在一系列的成瘾-戒断-复发实验后对孤立的星形胶质细胞进行成像，并定量观察其与病毒标记的D1-MSNs和D2-MSNs树突以及突触标记的Synapsin I或GLT-1的关系。免疫组化结果显示，星形胶质细胞在戒断后从NAcore树突上缩回，在线索诱导后星形胶质细胞突起重新向突触插入。在戒断训练后，星形胶质细胞在D1-MSNs突触中与Synapsin I的共定位增加，在D2-MSNs突触中与Synapsin I的共定位减少。暴露于hailuoyin线索15分钟后，星形胶质细胞与两种突触的关联恢复到对照水平。

在分析D1-MSNs和D2-MSNs树突相关GLT-1时，作者观察到树突相关的GLT-1在戒断训练后减少，在暴露于hailuoyin线索15分钟后恢复到生理盐水对照水平，类似于大鼠在线索诱导的hailuoyin寻找15分钟内表面近端GLT-1的增加。与D1树突相比，与D2树突相邻的GLT-1水平更高。戒断后树突相关的GLT-1减少发生在D2树突，而不是D1树突。线索暴露15分钟后，GLT-1的表面近端增加与D1或D2树突没有相关。

总之，这些数据表明，线索诱导的hailuoyin寻求过程中1型星形胶质细胞的增加可能与D2树突周围星形胶质细胞的形态可塑性有关，但线索诱导的2型星形胶质细胞增加，表现出高水平的突触外GLT-1，而与D1或D2树突无关。

总结

该研究发现，在线索诱导的hailuoyin寻求过程中，NAcore中的星形胶质细胞通过形态和GLT-1表达的可塑性这两种机制来抑/制hailuoyin寻求的强度。线索诱导的星形胶质细胞突起与突触的邻近性和表面GLT-1表达增加发生在不同的星形胶质细胞亚群中，并由不同的信号级联触发，星形胶质细胞Gq信号选择性激活星形胶质细胞精细过程运动，而不影响表面GLT-1表达。1型星形胶质细胞在NAcore中与突触邻接性增加，而2型星形胶质细胞表面GLT-1表达增加。选择性地抑/制1型或2型星形胶质细胞的可塑性可增强线索诱导的hailuoyin寻求，显示了线索短暂诱导这些星形胶质细胞亚群的功能相关性。最后，作者证明了在hailuoyin寻求过程中，1型星形胶质细胞的增加具有D2-MSNs选择性，但2型星形胶质细胞的增加，与D1-MSNs和D2-MSNs均无关。总之，这些数据表明，星形胶质细胞的形态可塑性具有神经元亚型选择性，在不同的星形胶质细胞亚群中，hailuoyin线索会短暂地诱导两种不同形式的星形胶质细胞可塑性，从而抑/制hailuoyin的寻求。

研究方法亮点

这项工作阐述了NAcore中表达的星形胶质细胞在适应并促进hailuoyin寻求过程中的作用机制。研究用到了自身给药成瘾造模、脑立体定位注射、微量导管给药以及免疫组化等实验技术。瑞沃德深耕生命科学研究领域20年，一直致力于为客户提供可信赖的解决方案和服务，能够提供该研究所涉及的自身给药成瘾造模、脑立体定位注射、微量导管给药以及免疫组化等实验的完整解决方案。截至目前，瑞沃德产品及服务覆盖海内外 100 多个国家和地区，客户涵盖全/球700+医院，1000+科研院所，6000+高等院校，已助力全/球科研人员发表SCI文章14500+，获得行业广泛认可。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo7044

2022-10-18 15:54:34 336 0

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