研究背景

離子電子耦合邏輯運算被認為是實現深度類腦計算的可行途徑之一，然而高頻離子電子耦合器件的缺失大大限制了這一領域的快速發展。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，具有和超級電容器完全相同的器件結構以及類似于半導體二極管的單向導通特性，是構建離子電子耦合電路最具潛力的基礎元件，在未來類腦計算、腦機接口、活體診療等新興技術領域有著廣闊的應用前景。然而目前電容式離子二極管的發展還處于起步階段，仍然面臨整流比低、響應頻率有限、循環穩定性欠佳等問題，無法滿足實際應用需求。特別是對邏輯運算應用最關鍵的響應頻率這一性能參數，在過去的研究中并沒有得到足夠的重視，使得目前開發出的電容式離子二極管其實際工作頻率都在0.1赫茲以下，大大限制了相應離子電子耦合電路的邏輯運算速度。

工作介紹

近日，蘭州大學材料與能源學院馬鴻云青年研究員聯合物理科學與技術學院蘭偉教授開發了一種基于正交相五氧化二鈮的電容式離子二極管。得益于正交相五氧化二鈮獨特的“room-and-pillar”晶體結構和準二維的快速離子傳輸通道，所構建的電容式離子二極管表現出122 Hz的高響應頻率，相比現有結果高出3個數量級。同時，該器件還表現出108的高整流比、390 C g?1的高比容量、?1.5~1.5 V的寬電壓窗口，以及超過2000次的良好循環穩定性。此外，該電容式離子二極管還具有出色的串并聯特性，可以實現工作電壓和電荷存儲容量的定制化輸出。上述優異的電化學性能使得由其搭建的“與門”和“或門”兩類邏輯運算電路可以在1~100Hz的多種頻率下高效穩定工作并完成相應的運算任務，在未來基于離子電子耦合電路的邏輯運算中表現出較大的潛力。相關成果發表在國際重要期刊Angew. Chem. Int. Ed.上，蘭州大學材料與能源學院馬鴻云青年研究員為本文第一兼通訊作者，蘭州大學物理科學與技術學院蘭偉教授為本文共同通訊作者。

圖文導讀

圖1. 正交相五氧化二鈮的晶體結構及電容式離子二極管的工作原理。

正交相五氧化二鈮具有獨特的“room-and-pillar”晶體結構以及準二維的快速離子傳輸通道，可以在完成陰陽離子高效篩分的基礎上實現陽離子的快速傳輸，非常適合構建高性能特別是高響應頻率的電容式離子二極管。

圖2. 正交相五氧化二鈮的離子篩分特性。

得益于其獨特的晶體結構和離子傳輸拓撲學，正交相五氧化二鈮表現出優異的離子篩分特性和快速的動力學行為，其第一類整流比可達118，第二類整流比可達97.1%，比容量可達643 C g?1，同時其動力學由快速的電容行為所主導。

圖3. 正交相五氧化二鈮的離子篩分機理。

原位XRD測試表明，正交相五氧化二鈮只在低電位區間通過嵌入/脫出反應高效存儲鋰離子，而在高電位區間由于其尺寸+電荷雙重離子篩分效應的存在，只能在材料外表面對六氟磷酸根離子進行有限的吸脫附。原位Raman測試表明，隨著低電位區間鋰離子的大量嵌入，正交相五氧化二鈮會從半導體轉變成金屬態導體，從而保證離子和電子兩類載流子的協同快速傳輸。

圖4. 正交相五氧化二鈮基電容式離子二極管的整流特性。

電化學測試表明，該電容式離子二極管具有?1.5~1.5 V的寬電壓窗口、108的高整流比、390 C g?1的高比容量，以及超過2000次循環的良好循環穩定性，同時還具有出色的串并聯性能。

圖5. 正交相五氧化二鈮基電容式離子二極管的邏輯運算應用。

該電容式離子二極管具有良好的單向導通特性及較高的響應頻率，由其搭建的“與門”和“或門”兩類邏輯運算電路可以在1~100Hz的多種頻率下高效穩定工作并完成相應的運算任務，在未來基于離子電子耦合電路的邏輯運算中表現出較大的潛力。