上世紀(jì)50年代,，電子元器件的發(fā)明開創(chuàng)了信息時代。在傳統(tǒng)的固態(tài)電子學(xué)中,，二極管由P型與N型半導(dǎo)體結(jié)合形成,，只允許電流單向?qū)āＷ匀唤绲纳w則通過細(xì)胞膜上的離子蛋白質(zhì)通道對離子進(jìn)行選擇輸運(yùn),。受此種現(xiàn)象的啟發(fā),，研究人員構(gòu)建了不同形貌的納米孔道，實現(xiàn)了對離子的非對稱輸運(yùn),，形成了離子二極管,。與傳統(tǒng)電子二極管相比，離子有不同種類,，可攜帶更多的信息,，但是現(xiàn)有的加工方法步驟復(fù)雜、價格昂貴,，且所加工出的固態(tài)納米通道處于垂直方向,，限制了離子電路的集成。

近日,，我校微控流芯片實驗室李夢琪等人,，開發(fā)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(xiàn)了水平方向離子二極管的加工與離子電路的集成,。團(tuán)隊創(chuàng)新性地在水面上合成了單層碳納米薄膜,，使用納米轉(zhuǎn)印技術(shù)將該薄膜裁剪成非對稱結(jié)構(gòu)，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(jìn)而實現(xiàn)方向可控的離子整流,。相關(guān)研究成果已發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

本研究中,，研究團(tuán)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(jī)制。通過電壓-電流曲線的測定，發(fā)現(xiàn)該離子二極管對離子種類和濃度具有很好響應(yīng),。研究團(tuán)隊還通過對薄膜不同區(qū)域進(jìn)行功能化修飾,，改變其表面電荷性質(zhì)，實現(xiàn)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(jìn)一步實現(xiàn)該離子器件的應(yīng)用,，研究人員通過引入“門”電壓，對輸出離子電流大小進(jìn)行控制,，實現(xiàn)了大小可調(diào)的離子電路開關(guān)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(xiàn)了對交流信號的整流,。

該研究工作提出了一種制備仿生離子二極管的簡單、經(jīng)濟(jì)方法,，同時通過使用多個二極管加工功能性的離子電路證明了該離子二極管易于集成的特性,。此外，該項研究提出的仿生非對稱薄膜為下一代離子交換膜的設(shè)計提供了新思路,，將在海水淡化,、鹽差能發(fā)電和離子篩分等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本研究工作得到了中央高?；究蒲袑ｍ椯Y金,、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。