近幾年，腦機接口技術(shù)得到了快速發(fā)展，然而人腦與計算機的雙向溝通距離實用化水平還存在一定差距，這主要源于人腦和計算機分別采用離子和電子兩種不同的信號傳導(dǎo)介質(zhì)。離子電子耦合器件可以實現(xiàn)離子傳輸和電子轉(zhuǎn)移在同一電路中的有機結(jié)合，因此為生物系統(tǒng)和電子設(shè)備之間的信息傳遞提供了可能的媒介。然而要真正實現(xiàn)生物系統(tǒng)和電子設(shè)備之間的信息交互，還需要設(shè)計開發(fā)具備邏輯運算功能的器件來完成信息的傳輸、處理和反饋。電容式離子二極管（CAPode）是一類基于超級電容器的新型電化學(xué)功能器件，被認(rèn)為是構(gòu)建離子電子耦合電路最具潛力的基礎(chǔ)元件。然而目前電容式離子二極管的研究還處于起步階段，限于電極材料和電解液自身的一些問題，現(xiàn)有電容式離子二極管仍存在整流比不高（~10）、比電容低（< 80F/g）、穩(wěn)定性欠佳、生物相容性差及制造成本高的問題，無法滿足實用化要求。

近日，蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蘭偉教授領(lǐng)銜的柔性電子科研團(tuán)隊開發(fā)出一種基于氧化鉬電極的電容式離子二極管。得益于氧化鉬材料致密的二維層狀晶體結(jié)構(gòu)和帶負(fù)電的層間離子傳輸通道，氧化鉬電極對電解液陰陽離子表現(xiàn)出尺寸和電荷雙重離子篩分效應(yīng)。這種獨特的協(xié)同離子篩分效應(yīng)使氧化鉬工作電極表現(xiàn)出136的超高整流比，該數(shù)值比現(xiàn)有體系高出一個數(shù)量級。同時，結(jié)合插層贗電容的電荷存儲機制和優(yōu)化匹配的電解液體系，氧化鉬電極表現(xiàn)出448 F/g的高比電容和高達(dá)20000次循環(huán)的優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性。如此優(yōu)異的整流特性和電化學(xué)性能使所構(gòu)建的電容式離子二極管可以在“與門”和“或門”兩類邏輯運算電路里高效穩(wěn)定工作。此外，氧化鉬和相關(guān)組分材料都具有良好的生物相容性，這使得所構(gòu)建的電容式離子二極管在未來基于離子電子耦合電路的腦機接口領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。

相關(guān)成果以“A Biocompatible Supercapacitor Diode with Enhanced Rectification Capability towards Ion/Electron Coupling Logic Operations”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上，蘭偉教授為本文通訊作者，萃英博士后馬鴻云為本文第一作者，蘭州大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院王靜教授團(tuán)隊參與了生物驗證方面的研究，香港理工大學(xué)柴揚教授為本文共同通訊作者。

圖1 面向人機交互的氧化鉬基電容式離子二極管

圖2 氧化鉬電極的電化學(xué)儲能機理及離子篩分效應(yīng)

圖3 氧化鉬基電容式離子二極管的整流性能及生物相容性

該研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、博士后創(chuàng)新人才支持計劃、博士后科學(xué)基金面上資助、青海省科技合作項目和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等項目的大力支持。

原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301218

審核編輯 ：李倩