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近日，蘭州大學物理科學與技術學院蘭偉教授領銜的柔性電子科研團隊開發出一種基于氧化鉬電極的電容式離子二極管，相關成果以《對離子/電子耦合邏輯運算具有增強整流能力的生物相容性超級電容器二極管》為題發表在國際期刊《先進材料》上。
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面向人機交互的氧化鉬基電容式離子二極管 課題組供圖
近幾年，腦機接口技術得到了快速發展，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介質。離子電子耦合器件可以實現離子傳輸和電子轉移在同一電路中的有機結合，因此為生物系統和電子設備之間的信息傳遞提供了可能的媒介。然而，要真正實現生物系統和電子設備之間的信息交互，還需要設計開發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功能器件，被認為是構建離子電子耦合電路最具潛力的基礎元件。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，現有電容式離子二極管仍存在整流比不高（~10）、比電容低（< 80F g?1）、穩定性欠佳、生物相容性差及制造成本高的問題，無法滿足實用化要求。
得益于氧化鉬材料致密的二維層狀晶體結構和帶負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出尺寸和電荷雙重離子篩分效應。這種獨特的協同離子篩分效應使氧化鉬工作電極表現出136的超高整流比，該數值比現有體系高出一個數量級。同時，結合插層贗電容的電荷存儲機制和優化匹配的電解液體系，氧化鉬電極表現出448 F g?1的高比電容和高達20000次循環的優異循環穩定性。如此優異的整流特性和電化學性能使所構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定工作。此外，氧化鉬和相關組分材料都具有良好的生物相容性，這使得所構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域顯示出巨大的潛力。