哈佛大学锁志刚院士《Science》：离子弹性体二极管、晶体管！为可拉伸离子器件奠定基础
1947年，肖克莱、巴丁、布拉顿发明了点接触晶体管，开创了信息时代，不夸张地说，它是现代文明的基石，并于1956年获得了诺贝尔物理学奖。
在P型和N型半导体之间形成的PN结是固态电子的基本结构，电子通过节界面单向传输成为整流，是电子二极管、晶体管和集成逻辑电路的功能基础。相比之下，生物系统使用离子作为传感信号载体，传导和信息处理。例如神经元膜上的离子选择蛋白不对称地传递钠和钾离子来传播神经冲动。现代电子学对小尺寸的追求已经达到了它的物理极限，离子传导过程中是否可以设计类似于电子传导中的p-n结呢？这将带来全新的离子电路体系！
美国马萨诸塞大学Ryan C. Hayward教授和哈佛大学Suo Zhigang院士合作开发出利用离子双层来矫正和切换离子电流的离子弹性体二极管、晶体管。团队设计了两种分别带有阳离子和阴离子的聚电解质网络，其缔合的相反离子可以移动。将主链带有相反离子的弹性体构建成离子双层（IDL），它能够在不发生电化学反应的情况下进行整流和“开-关”离子电流。缔合的离子移动发生熵驱动损耗会产生离子异质结，其意义可类比PN结。传统的PN结无法拉伸，而本征可拉伸离子弹性体异质结则为可拉伸离子器件奠定了基础。相关论文以“Ionoelastomer junctions between polymer networks of fixed anions and cations”为题，今日发表在《Science》上。
固态离子二极管可以很容易设计，通过两块凝胶接触，每个凝胶都掺杂相反电荷的聚电解质，形成一个不对称界面。水凝胶中的水易挥发，使得水凝胶耐久性差，大多数柔性二极管还面临电化学产生的法拉第电流、电解、腐蚀等困扰，影响运行。Kim等人克服了以上困难，通过设计合成一对主链带有相反电荷的离子弹性体，其缔合的反离子（离子液体部分）可以随着浓度梯度或者电场自由移动。利用聚阴离子和聚阳离子之间的界面形成离子双层（IDL）形成聚阴离子-聚阳离子异质结，制备出本征可拉伸、稳定和强离子整流能力的固态离子二极管。在异质结处，可移动反离子的熵扩散以IDL的形式形成耗尽层，类似于半导体p-n结中的耗尽层（见图）。聚电解质链上的固定电荷会产生与扩散电流相反的漂移电流，直到平衡，并在聚阴离子-聚阳离子凝胶层之间形成强烈的静电粘附。作者通过测量耗尽层中的内置电势并通过当结受到反向或正向偏压时监测IDL的积聚或坍塌来证实IDL的存在。无溶剂带电对的非法拉第电流传导，具有宽的电化学窗口（±3v），避免了水凝胶或溶液基离子二极管电解质的损失。离子弹性体的可拉伸性使其有望用于未来离子器件、离子逻辑电路。
离子异质结的形成
《Science》同期刊登了Dace Gao和 Pooi See Lee发表的题目为“Rectifying ionic current with ionoelastomers”的评论。Kim等人使用无溶剂离子弹性体制造离子二极管和晶体管，有望用于模拟神经系统，提供本征可变形电子单元，从而为可拉伸离子电子器件奠定基础。
Dace Gao和 Pooi See Lee同时指出下一代离子弹性体需要考虑：
1、柔性二极管需要有高的整流比
2、可以采用弱缔合的反离子和聚合物链，从而获得更好的导电性
3、开发自愈合、热稳定的离子导体
4、开发疏水性聚阴离子和聚阳离子防止吸潮
5、异质结周围是否会由于相反离子结合形成离子液体集聚，是否在某种情况下成盐，导致二极管被击穿或者性能发生变化
可变形离子结的机械-电响应为实现刺激响应和可调谐整流提供了一条很有前途的道路。未来完全可以通过数字编程来设计离子电路控制离子、分子移动，类似于场效应晶体管应用，可重构离子电路的离子调制和生物分子的数字化控制——这将成为可能！
全文链接：
https://science.sciencemag.org/content/367/6479/773
评论链接：
https://science.sciencemag.org/content/367/6479/735
来源：高分子科学前沿
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