Science：无需电解液的离子晶体管

自从1904年弗莱明发明真空二极管，1906年德福雷斯特发明真空三极管以来，电子学作为一门新兴学科迅速发展起来。1947年，肖克莱、巴丁、布拉顿发明了点接触晶体管，更是电子技术发展史上一座里程碑，奠定了计算机的基石，开创了信息时代，他们也因此获得了1956年诺贝尔物理学奖。

肖克莱、巴丁和布拉顿。图片来源于网络

目前，尽管电子学对小尺寸的追求已经接近其物理极限，但关于离子器件的设计和研究才刚刚开始。在电子学中，P-N结涵盖了几乎所有电子和光电领域，其基础是电子与空穴的分离和传输。相比之下，在自然界中，生物体通过离子来传递信息，例如神经元通过离子选择蛋白不对称地运输钠离子和钾离子，以传递神经脉冲。离子传导过程中是否也可以设计类似于电子传导中的P-N结呢？

神经传输信息。图片来源：Science ^[1]

那么，直接用电解液层是否可行呢？确实有不少文章这么做，并设计出新颖的器件结构 ^[2]，然而，液体电解质容易泄漏，给器件的封装带来了不小的麻烦。如果能分别找到两种聚合物，固定其中的阴离子或阳离子而另一种离子可以移动；将这两种聚合物结合在一起，之间形成的离子双电层就酷似传统半导体P-N结中的耗尽层。如果该思路可行，就可以从根本上改善可拉伸离子器件中液体电解质泄漏或蒸发的问题了。

离子异质结的设计思路。图片来源：Science ^[3]

近期，美国马萨诸塞大学安姆斯特分校Ryan C. Hayward课题组和哈佛大学锁志刚课题组合作在Science 杂志发表文章，通过传递相反离子的弹性体，设计出一种无需电解液的离子异质结，并将其应用于晶体管、传感器的制备，为可拉伸离子器件奠定了基础。

Ryan Hayward（后排左三）、Hyeong Kim（后排左四，本文一作）。图片来源：Hayward Research Group ^[4]

要满足离子异质结的设计思路，需要具有几个必要条件：首先，不能选择水凝胶，因为水凝胶耐久性差，而且还面临电化学产生的法拉第电流、电解、腐蚀等问题；其次，如果选择离子弹性体，需要较低的玻璃化转变温度（T_g），可以在室温下实现离子传导；而且，材料的可伸缩性良好，能满足柔性可穿戴器件的需求。通过实验，研究者选择了ES和AT两种离子弹性体（如下图），将二者粘附在一起，交流阻抗测试，证实了两种弹性体之间形成了离子双电层，异质结的电容为0.7 ± 0.2 μF•cm^-2。

两个相反离子弹性体，界面处形成离子双电层。图片来源：Science

研究者将离子弹性体应用于晶体管，并测量其输出特性曲线，开关态均方根电流之比为~40，与水凝胶晶体管相当。而且电流来自非法拉第过程，不会受到电化学反应的干扰，保证器件的长期连续性使用。

离子弹性体晶体管。图片来源：Science

随后，研究者将碳纳米管附在弹性体两侧，制备了离子弹性体机电换能器，通过ES/AT连接处的变形，将机械运动转化为电信号。在一个拉伸循环中，器件的开路电压（V_OC）和短路电流密度（J_SC）分别可达46±2 mV和0.18 ± 0.01 μA•cm^-2。

离子弹性体机电换能器。图片来源：Science

该团队制造的所有器件都柔软且可拉伸，这意味着有着很好的生物医学应用前景。例如，由于与人体一样使用离子作为信号载体，该技术很有希望能够用于人机接口。当然，基于此技术也完全可以构建其他可穿戴设备。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ionoelastomer junctions between polymer networks of fixed anions and cations

Hyeong Jun Kim, Baohong Chen, Zhigang Suo, Ryan C. Hayward

Science, 2020, 367, 773-776, DOI: 10.1126/science.aay8467

参考文献：

[1] Yeongin K., Alex C., Wentao X., et al. A bioinspired flexible organic artificial afferent nerve. Science 2018, 360, 998-1003. DOI: 10.1126/science.aao0098

https://science.sciencemag.org/content/360/6392/998

[2] Chun H., Chung T. D., Iontronics. Annu. Rev. Anal. Chem.2015, 8, 441-462. DOI: 10.1146/annurev-anchem-071114-040202

https://www.annualreviews.org/doi/pdf/10.1146/annurev-anchem-071114-040202

[3] Gao D., Lee P. S. Rectifying ionic current with ionoelastomers. Science 2020, 367, 735-736. DOI: 10.1126/science.aba6270

https://science.sciencemag.org/content/367/6479/735?rss=1

[4] Hayward Research Group:

https://www.pse.umass.edu/faculty/researchgroup/hayward/group

（本文由小希供稿）