面向高頻邏輯運(yùn)算的鋰離子電容二極管

研究背景

離子電子耦合邏輯運(yùn)算被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)深度類腦計(jì)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(lǐng)域的快速發(fā)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(xué)功能器件，具有和超級電容器完全相同的器件結(jié)構(gòu)以及類似于半導(dǎo)體二極管的單向?qū)ㄌ匦裕菢?gòu)建離子電子耦合電路最具潛力的基礎(chǔ)元件，在未來類腦計(jì)算、腦機(jī)接口、活體診療等新興技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。然而目前電容式離子二極管的發(fā)展還處于起步階段，仍然面臨整流比低、響應(yīng)頻率有限、循環(huán)穩(wěn)定性欠佳等問題，無法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。特別是對邏輯運(yùn)算應(yīng)用最關(guān)鍵的響應(yīng)頻率這一性能參數(shù)，在過去的研究中并沒有得到足夠的重視，使得目前開發(fā)出的電容式離子二極管其實(shí)際工作頻率都在0.1赫茲以下，大大限制了相應(yīng)離子電子耦合電路的邏輯運(yùn)算速度。

工作介紹

近日，蘭州大學(xué)材料與能源學(xué)院馬鴻云青年研究員聯(lián)合物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蘭偉教授開發(fā)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(dú)特的“room-and-pillar”晶體結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)二維的快速離子傳輸通道，所構(gòu)建的電容式離子二極管表現(xiàn)出122 Hz的高響應(yīng)頻率，相比現(xiàn)有結(jié)果高出3個(gè)數(shù)量級。同時(shí)，該器件還表現(xiàn)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(huán)穩(wěn)定性。此外，該電容式離子二極管還具有出色的串并聯(lián)特性，可以實(shí)現(xiàn)工作電壓和電荷存儲(chǔ)容量的定制化輸出。上述優(yōu)異的電化學(xué)性能使得由其搭建的“與門”和“或門”兩類邏輯運(yùn)算電路可以在1~100Hz的多種頻率下高效穩(wěn)定工作并完成相應(yīng)的運(yùn)算任務(wù)，在未來基于離子電子耦合電路的邏輯運(yùn)算中表現(xiàn)出較大的潛力。相關(guān)成果發(fā)表在國際重要期刊Angew. Chem. Int. Ed.上，蘭州大學(xué)材料與能源學(xué)院馬鴻云青年研究員為本文第一兼通訊作者，蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蘭偉教授為本文共同通訊作者。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 正交相五氧化二鈮的晶體結(jié)構(gòu)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(dú)特的“room-and-pillar”晶體結(jié)構(gòu)以及準(zhǔn)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(chǔ)上實(shí)現(xiàn)陽離子的快速傳輸，非常適合構(gòu)建高性能特別是高響應(yīng)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(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和離子傳輸拓?fù)鋵W(xué)，正交相五氧化二鈮表現(xiàn)出優(yōu)異的離子篩分特性和快速的動(dòng)力學(xué)行為，其第一類整流比可達(dá)118，第二類整流比可達(dá)97.1%，比容量可達(dá)643 C g?1，同時(shí)其動(dòng)力學(xué)由快速的電容行為所主導(dǎo)。

圖3. 正交相五氧化二鈮的離子篩分機(jī)理。

原位XRD測試表明，正交相五氧化二鈮只在低電位區(qū)間通過嵌入/脫出反應(yīng)高效存儲(chǔ)鋰離子，而在高電位區(qū)間由于其尺寸+電荷雙重離子篩分效應(yīng)的存在，只能在材料外表面對六氟磷酸根離子進(jìn)行有限的吸脫附。原位Raman測試表明，隨著低電位區(qū)間鋰離子的大量嵌入，正交相五氧化二鈮會(huì)從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成金屬態(tài)導(dǎo)體，從而保證離子和電子兩類載流子的協(xié)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(xué)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(huán)的良好循環(huán)穩(wěn)定性，同時(shí)還具有出色的串并聯(lián)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(yùn)算應(yīng)用。

該電容式離子二極管具有良好的單向?qū)ㄌ匦约拜^高的響應(yīng)頻率，由其搭建的“與門”和“或門”兩類邏輯運(yùn)算電路可以在1~100Hz的多種頻率下高效穩(wěn)定工作并完成相應(yīng)的運(yùn)算任務(wù)，在未來基于離子電子耦合電路的邏輯運(yùn)算中表現(xiàn)出較大的潛力。