[发明专利]基于非对称孔径凝胶的高整流性离子二极管及其制备方法

说明书

本发明涉及基于非对称孔径凝胶的高整流性离子二极管及其制备方法。通过该制备方法制得的离子二极管器件由凝胶异质结与电极组成，凝胶异质结的孔径按照“大‑小‑小‑大”的结构分布，其中凝胶异质结邻近电极界面处的大孔径保证了离子在凝胶与电极间的快速传输，使得器件具有较高的正向电流；而凝胶异质结界面的小孔径增加了离子选择性，大幅度减小了反向漏电流的产生。该离子二极管器件的正向电流20mA/cmsupgt;2/supgt;，整流比最高可达1000左右，比传统基于对称孔径凝胶的离子二极管的整流比提升了1～2个数量级。

技术领域

本发明涉及离子二极管技术领域，特别是基于非对称孔径凝胶的高整流性离子二极管及其制备方法。

背景技术

近年来，随着人工智能、人机交互等信息技术的快速发展，基于离子载流子的新型信息器件逐渐兴起。相比于传统电子器件，离子器件通常具备更优异的机械柔性与生物相容性，在可穿戴、可植入式的信息监测与传导应用中展现出巨大优势。此外，离子种类的多样性赋予了离子信息更高阶的简并度，意味着离子器件具有更复杂强大的信息处理能力，为未来神经模拟信息处理提供了新的思路。作为离子信息处理的基础，具有离子整流效应的离子二极管的开发与研究对离子信息领域的发展具有重大意义。

但是，由于液态电解质容易泄漏，器件的组装和封装工作具有很大挑战。近年来，研究人员通过构建荷电相反的聚电解质凝胶异质结，开发出了柔软且可拉伸的凝胶基离子二极管。聚电解质凝胶包含固定在聚合物网络上的离子基团与可移动的抗衡离子，异质结中反离子的熵扩散导致了界面耗尽层的形成。反向偏压下，由于抗衡离子向相同域迁移，界面无离子流动，导致异质结断路；正向偏压下，由于抗衡离子向相反域迁移，界面有离子流动，导致异质结通路。与溶液基离子二极管相比，凝胶基离子二极管具有结构简单，无电解质泄露、机械性能优越等优点，是目前应用最广泛的离子二极管。然而，无论是溶液基还是凝胶基离子二极管，其离子整流比比传统半导体二极管低2～3个数量级，严重限制了离子二极管的整流效率，阻碍了离子二极管在复杂计算或信息处理中的应用。

因此，为了推动仿生离子信息技术的发展与应用，高整流性凝胶基离子二极管的开发研究至关重要。目前，通过不同于对称孔径聚电解质凝胶的非对称孔径的聚电解质凝胶，界面处利用小孔径骨架聚合出离子选择性更强的小孔径凝胶复合材料对器件进行组装与设计，大大减小反向电流的同时，允许大的正向电流的产生，可以实现离子整流比的重大突破。

但是过小的孔径或过大的厚度可能导致聚电解质凝胶的有效电导率降低，同时无论过大或过小的界面材料厚度与孔径都会导致非对称孔径离子二极管整流比的下降，这些都将使得器件的信号传输效率大大降低。因此，需要合理设计界面复合材料厚度与孔径分布，提升离子二极管的整流比与信号传输效率。

发明内容

基于上述背景技术中存在的问题，本发明通过采用非对称孔径凝胶的高整流性离子二极管设计，合理设计界面材料厚度与整体孔径分布，明显改善了了均匀孔径凝胶异质结的离子二极管整流性。

基于非对称孔径凝胶的高整流性离子二极管，所述高整流性离子二极管包括凝胶异质结和电极，所述凝胶异质结两侧分别与电极紧密贴合得到高整流性离子二极管，所述凝胶异质结包括非对称孔径聚阴离子凝胶和非对称孔径聚阳离子凝胶，所述非对称孔径聚阴离子凝胶由大孔径聚阴离子凝胶与小孔径的多孔薄膜复合而成，所述非对称孔径凝胶聚阳离子凝胶由大孔径聚阳离子凝胶与小孔径的多孔薄膜复合而成，所述凝胶异质结由非对称孔径聚阴离子凝胶和非对称孔径聚阳离子凝胶紧密贴合而成，所述凝胶异质结的孔径在两电极之间按照“大-小-小-大”分布。

优选地，所述电极为高比表面积电极，所述高比表面积电极所用材料包括但不限于金属材料、碳材料、过渡金属碳/氮化物、导电聚合物中的一种。