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章鱼体育在仿生離子器件加工與應用領域取得研究新進展

作者: 楊耐寒 來源:章鱼体育

上世紀(ji)50年代,電(dian)(dian)子(zi)元器(qi)件(jian)的(de)(de)發明(ming)開創了(le)信(xin)(xin)息(xi)時(shi)代。在傳統的(de)(de)固態(tai)電(dian)(dian)子(zi)學(xue)中(zhong),二極(ji)管(guan)由P型與N型半導(dao)體結合形(xing)成(cheng)(cheng),只允(yun)許(xu)電(dian)(dian)流單向導(dao)通。自然界(jie)的(de)(de)生(sheng)命體則通過細胞膜上的(de)(de)離(li)(li)(li)子(zi)蛋(dan)白質通道對(dui)離(li)(li)(li)子(zi)進行選擇輸運(yun)。受此(ci)種現(xian)象(xiang)的(de)(de)啟發,研究人員構建(jian)了(le)不同形(xing)貌的(de)(de)納米(mi)孔道,實現(xian)了(le)對(dui)離(li)(li)(li)子(zi)的(de)(de)非對(dui)稱輸運(yun),形(xing)成(cheng)(cheng)了(le)離(li)(li)(li)子(zi)二極(ji)管(guan)。與傳統電(dian)(dian)子(zi)二極(ji)管(guan)相比,離(li)(li)(li)子(zi)有不同種類,可攜帶(dai)更多的(de)(de)信(xin)(xin)息(xi),但(dan)是現(xian)有的(de)(de)加工方(fang)(fang)法步驟復雜、價格(ge)昂(ang)貴,且所加工出的(de)(de)固態(tai)納米(mi)通道處(chu)于垂直方(fang)(fang)向,限制了(le)離(li)(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)路的(de)(de)集成(cheng)(cheng)。

近日,章鱼体育微控流芯片實驗室李夢琪等人,開發出利用非對稱碳納米顆粒薄膜加工離子二極管的新方法,實現了水平方向離子二極管的加工與離子電路的集成。團隊創新性地在水面上合成了單層碳納米薄膜,使用納米轉印技術將該薄膜裁剪成非對稱結構,并鑲嵌在微流控芯片中。由于該薄膜具有陽離子選擇傳輸性,在不同方向電場作用下陰離子會分別匯聚在薄膜大、小端口處,進而實現方向可控的離子整流。相關研究成果已發表在Advanced Functional Materials上。

本研究中,研究團隊探討了離子種類、離子濃度和碳納米薄膜非對稱性對離子二極管的影響機制。通過電壓-電流曲線的測定,發現該離子二極管對離子種類和濃度具有很好響應。研究團隊還通過對薄膜不同區域進行功能化修飾,改變其表面電荷性質,實現了大小可控的離子整流功能。修飾前后該離子二極管的整流比有顯著提升,從3.03增大到109.77,增大了30多倍。為了進一步實現該離子器件的應用,研究人員通過引入“門”電壓,對輸出離子電流大小進行控制,實現了大小可調的離子電路開關功能。并將多個離子二極管集成在單個微流控芯片上,制備了離子二極管橋,實現了對交流信號的整流。

該研究(jiu)工(gong)作(zuo)提出了一(yi)種制備(bei)仿(fang)生離子二極管(guan)的(de)(de)簡單、經濟方法,同時通過使用(yong)多個二極管(guan)加工(gong)功(gong)能性的(de)(de)離子電路證明了該離子二極管(guan)易于集成的(de)(de)特性。此外,該項(xiang)研究(jiu)提出的(de)(de)仿(fang)生非對稱薄(bo)膜(mo)為下(xia)一(yi)代(dai)離子交換膜(mo)的(de)(de)設計(ji)提供了新思路,將在海(hai)水淡化、鹽(yan)差能發電和(he)離子篩分等領域具有廣(guang)闊(kuo)的(de)(de)應用(yong)前景。

本研(yan)究工作(zuo)得到了(le)中央高校基(ji)本科研(yan)專(zhuan)項(xiang)資金(jin)、國家自然科學基(ji)金(jin)等項(xiang)目的資助。

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