兰州大学兰伟教授/马鸿云青年研究员《ACS Nano》：碳和氧空位共助高整流比电容式离子二极管- 大数跨境

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兰州大学兰伟教授/马鸿云青年研究员《ACS Nano》：碳和氧空位共助高整流比电容式离子二极管

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2025-05-23

导读：兰州大学兰伟教授/马鸿云青年研究员《ACS Nano》：碳和氧空位共助高整流比电容式离子二极管

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文章信息

碳修饰和氧空位助力实现高整流比电容式离子二极管

第一作者：马凌霄

通讯作者：兰伟*，马鸿云*

单位：兰州大学物理科学与技术学院，兰州大学能源与材料学院

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研究背景

电容式离子二极管作为一种新型离子电子耦合逻辑器件，具有与超级电容器相同的器件结构和类似半导体二极管的单向导通特性，有望应用于类脑计算、脑机接口、活体诊疗等新兴技术领域。然而受限于电极材料与电解液设计等问题，现有电容式离子二极管仍面临整流比低、响应频率有限等问题，无法满足实际应用需求。具有高整流比的离子二极管可在整流过程中提供稳定平滑的输出信号，从而实现高效稳定的信息传输和信号处理。

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工作介绍

近日，兰州大学物理科学与技术学院的兰伟教授团队开发了一种基于锐钛矿二氧化钛的电容式离子二极管。得益于二氧化钛纳米线表面修饰碳诱导的丰富氧空位（VO），C@TiO_2-x纳米线电极的离子/电子传输能力和非对称电荷存储行为得到有效增强（图1），单电极有高达204的第一类整流比。电容式离子二极管器件表现出99.1的第一类整流比和98.3 %的第二类整流比，明显优于之前的报道结果。此外，电容式离子二极管的截止频率达到7.4 Hz，可以稳定实现0.1~10 s不同信号持续时间的基础逻辑电路。相关工作为开发高性能 CAPode提供了一种高效的策略。

图1. 碳修饰诱导生成氧空位的C@TiO_2-x纳米线具有增强的锂离子整流行为

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内容表述

要点一：碳修饰策略诱导生成Ti³⁺-VO缺陷对

图2. 常规TiO₂ 纳米线和C@TiO _2-x纳米线的结构表征。碳修饰诱导生成了大量Ti³⁺-VO缺陷对，显著减小了C@TiO_2-x纳米线的光学带隙，提高了载流子电导率和离子整流比。

要点二：VO缺陷显著增强了纳米线电极的非对称整流行为

图3. 常规TiO2纳米线和碳修饰诱导生成氧空位的C@TiO_2-x纳米线的离子整流特性。Ti³⁺-VO缺陷对显著降低了C@TiO_2-x电极的接触阻抗和电荷转移阻抗，改善了电极的电化学动力学，因此电极在1~·10 mV s^-1的扫速范围内表现出204.6~146.9的超高第一类整流比，达到现有报道的最高水平。而第二类整流比最高达到98.3 %，其动力学行为主要表现出高度依赖电极电势的双电层行为和非本征的表面氧化还原赝电容行为。

图4. C@TiO_2-x 电极的锂离子整流原理示意图。原位拉曼光谱验证了C@TiO_2-x电极高度依赖电极电势的电化学储锂行为变化。在正向偏置电压区间内，电极主要表现出双电层行为；在反向偏置电压区间内，直径为7.6 nm的C@TiO_2-x纳米线通过无定形相储存锂离子，表现出非本征的表面氧化还原赝电容行为。不同的电荷储锂行为是实现高离子整流比的基础。

要点三：C@TiO_2-x基电容式离子二极管的整流机制与整流性能

图5. C@TiO_2-x基电容式离子二极管的离子整流机制和整流性能。在正电压区间内，插锂/脱锂反应在C@TiO_2-x工作电极上正常发生；在负电位区间内，少量阴离子和锂离子分别吸附于C@TiO_2-x电极和活性炭电极表面，实现了器件的非对称储荷行为和离子整流。器件的第一类整流比高达99.1，即使在100 mV s^-1的较大扫速下仍保持41.2，而第二类整流比始终高于87 %。

要点四：C@TiO_2-x基电容式离子二极管实现逻辑电路

图6. C@TiO_2-x基电容式离子二极管的逻辑运算应用。该电容式离子二极管具有高整流比和良好的截止频率，基于此实现的“与门”和“或门”可以实现多个周次的逻辑信息输出。

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文章链接

A Supercapacitor Diode with High Rectification Ratio Induced by Carbon and Oxygen Vacancies

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c01898

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通讯作者简介

兰伟教授简介：兰州大学物理科学与技术学院教授，博士生导师。连续入选全球前2%顶尖科学家榜单，获得华为“难题揭榜”火花奖，甘肃省普通高等学校青年教师成才奖获得者，甘肃省优秀博士论文指导教师，学术委员会委员，材料科学与工程博士后流动站负责人，材料学科点负责人。现为中国生物医学工程学会柔性生物电子及可穿戴医疗分会委员、中国电子学会柔性电子技术分会委员、甘肃省新材料标准化技术委员会委员、西北四省电子显微镜学会理事，丝绸之路新材料国际产学研用联盟理事，中国仪器仪表学会仪表功能材料分会理事。曾在国际柔性电子先驱John A. Rogers院士研究组作博士后，回国后一直从事柔性电子材料与器件领域的应用基础研究，具体涉及柔性能源转换与存储、柔性传感器研究，包括柔性传感器、柔性电池、电子皮肤、离子二极管、柔性超级电容器、生物可降解超级电容器、透明导电膜等。在Sci. Adv.、PNAS、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.等国际权威期刊上发表SCI 论文110余篇，ISI统计SCI论文被引用5000多次，H影响因子为40，申报国家专利34项，其中已授权14项。主编《电子材料与器件实验》教材一部，参与编写英文专著一部。作为会议主席成功举办“柔性电子交叉创新研讨会”、“柔性电子与智慧健康交叉创新论坛”国际学术会议，在兰州大学支持下，主办了“柔性电子交叉创新”系列论坛，已成功举办二十期。

马鸿云青年研究员简介：兰州大学材料与能源学院青年研究员，本科毕业于天津大学化工学院（2016年），博士毕业于清华大学化学系（2021年），入选2022年度“博士后创新人才支持计划”及2024年度甘肃省级青年人才项目。主要从事电化学储能材料与器件方面的研究，目前共发表SCI学术论文40余篇，其中以第一及通讯作者身份在Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano等期刊上发表SCI学术论文10余篇。申请国家发明专利5项，目前均已获得授权。主持国家自然科学基金-青年科学基金项目、甘肃省级青年人才项目、“博士后创新人才支持计划”等科研项目6项，参与科技部重点研发计划、国家自然科学基金-重点项目等国家级科研项目8项。担任教育部主管、清华大学主办国际期刊Energy Materials and Devices青年编委。