王中林/魏迪Device：超高电荷密度类晶体管离子电子学器件助力自驱动传感器和仿神经逻辑电路 | Cell Press对话科学家

物质科学

Physical science

基于冯·诺依曼架构的传统硅基电子器件正趋近于摩尔定律物理极限，且受限于现有制造工艺的加工技术瓶颈。近年来，离子电子学作为一种新兴学科，以离子作为载流子传递信号，提供了控制电荷通量的可能，并能够像神经一样调节离子电流的方向和大小，放大信号，可在高频下工作。离子电子学器件具有低能耗和高效率的优势，能够有效调控离子电子耦合过程，实现计算编码或逻辑信号传输的功能。常规电化学调控离子电子信号的方法需要外接电源。

基于此，来自北京纳米能源与系统研究所的王中林院士和魏迪研究员团队于2024年4月5日在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了一篇题为“Transistor-like triboiontronics with record high charge density for self-powered sensors and neurologic analogs”的论文。作者利用固-液界面接触起电效应调节离子电子信号输出，借助不同金属功函数差形成内建电场，开发设计了一种类晶体管式摩擦离子电子学器件（TTI），用于自驱动传感和构建仿神经逻辑电路。

得益于金属材料的低内阻特性，本工作实现了单个带电液滴的创纪录电荷密度输出（13.926 mC/m²）。另外，由带电液滴作为动态栅极，两种金属电极作为类源、漏电极而组成的TTI具有高信噪比和快速响应等优势，不仅能实现自驱动阈值传感功能，还可以模拟神经逻辑电路以控制机器人运动，为未来感存算一体和神经形态模拟提供了新的思路和范例。

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研究亮点

1. 提出离子-电子信号的调控机制，设计了摩擦离子电子学器件。

2. 实现了创纪录的高电荷密度输出（13.926 mC/m²），是其他同类系统的25倍。

3. 构建类晶体管式摩擦离子电子学器件，开发了具有高信噪比的自驱动阈值传感器以及仿神经逻辑电路，为低能耗类脑计算等方向提供了关键的研究基础。

基于固-液接触起电效应，绝缘固体和液体界面具有电荷转移能力，可以在不需要外接电源的情况下实现机械能到电能的直接转换，其固-液界面的电子离子信号转换也为实现人机交互智能传感和逻辑控制提供了有效途径。另外，当不同金属相连时，电子会自发从功函数低的金属流向功函数高的金属，从而在两个金属相对的表面形成内建电场，这为驱动溶液中离子电荷运动提供了动力（图1A）。耦合固-液接触起电效应和金属功函数差原理，作者设计了一种具有高电荷密度且直流输出的摩擦离子电子学器件。该器件的工作原理图如图1B和1C所示，液滴与全氟乙烯丙烯共聚物材料（FEP）经过接触起电后带有大量正电荷。当带电液滴运动到铝电极和金电极中间时，金属功函数差形成内建电场驱动液滴电荷定向运动，从而在外电路中形成直流电，其输出信号如图1D-1F。 

图1. 摩擦离子电子学器件的工作原理。（A）铝和金电极（i）连接前和（ii）电路连接后的能带示意图。（B）摩擦离子电子学器件的工作原理示意图。（C）COMSOL模拟液滴与绝缘固体摩擦起电过程的电势变化。摩擦离子电子学器件的输出（D）电流、（E）电压和（F）电荷信号。

作者对摩擦离子电子学器件的工作原理进行了进一步验证，表明只有在持续的固-液接触起电和金属功函数差内建电场的耦合作用下，摩擦离子电子学器件才能够实现稳定的直流输出（图2A-2C）。另外，通过调控固-液接触起电之间的滑动距离、速率，液滴体积，金属电极材料以及金属电极连接方式可以对摩擦离子电子学器件的输出性能进行优化，为调控离子电子信号提供了有效方案。

图2. 摩擦离子电子学器件的输出特性。（A）滑动式固-液摩擦纳米发电机的常见结构和输出电流。（B）静止状态和滑动运动两种模式下，由功函数差产生的电流信号对比。（C）静止状态和滑动运动两种模式下，由摩擦起电与功函数差耦合效应产生的电流信号对比。摩擦离子电子学器件输出电流与液滴在PTFE表面（D）滑动距离和（E）滑动速度的关系。具有两个液滴的摩擦离子电子学器件的输出（F）电流和（G）电压。摩擦离子电子学器件在反向E_in条件的（H）输出电流和（I）电压。不同金属的功函数差（J）以及其对摩擦离子电子学器件（K）输出电流的影响。

在摩擦离子电子学器件的工作基础上，以液滴作为栅极，两种金属电极作为源、漏电极，作者设计了类晶体管式摩擦离子电子学器件（TTI）。传统独立层式固液接触起电器件受限于绝缘体材料的高内阻导致外电路电流输出很低，作者在TTI中利用金属电极与带电液滴直接接触的低内阻，将电流输出提高了两个数量级。进一步地，通过优化TTI器件的电极间距、面积以及液滴体积参数，本工作实现了创纪录的单个液滴电荷密度输出（13.926 mC/m²），这个数值远超过了之前报道的关于固-液接触起电所收集的液滴电荷密度。

图3. TTI的设计。（A）独立式TENG的常见结构和电流信号。（B）TTI的结构和电流信号。（C）TTI的工作原理。（D-F）TTI的电极间隙、液滴的体积和电极的宽度对输出电流的影响。（G）电荷密度比较。（H）具有两个源、漏极的TTI结构示意图和（I）输出电流。

TTI通过固液界面的离子电子信息，可实时精准监测矢量运动，不仅具有低能耗高信噪比特性以及不受磁场影响的优点，还能更准确和快速地进行自驱动阈值传感信息响应，可以实现对沉船、驾驶碰撞、地震和桥梁/隧道倒塌等危险情况及时警报。

图4. TTI的阈值监控功能。（A）传统独立式TENG，及其输出（B）电流和（C）电压。（B）TTI作为自驱动阈值传感器及其输出（E）电流和（F）电压。（G）TTI作为自驱动阈值传感判断左右方向，及其输出（H）电流和（I）电压。（J）TTI在自驱动阈值传感的潜在应用。

作者设计了具有多级阈值功能的TTI（图5A-5B），用于实时监测振动轨迹。从图5C-5E可以看出，具有对称数量的正、负传感信号产生时表明TTI的振动重心位于中心。此外，出现的对称传感信号越多表示液滴的振动幅度越大，即传感器在两个方向上具有严重的振动。当TTI处于非常不平衡的振动状态时，正负信号的个数会呈现不对称的分布状态（图5F-H），例如正向信号数量的减少表明液滴的重心逐渐倾向于右侧。

图5. 基于TTI的自驱动传感器。具有多级阈值功能的TTI（A）侧视图和（B）俯视图。（C-E）TTI中液滴作为类栅极在几种对称运动轨迹下的输出信号。（F-H）TTI中液滴作为类栅极在几种不对称运动轨迹下的输出信号。

此外，作者通过集成多个类晶体管式摩擦离子电子学器件，设计了多通道离子电子信息传输系统；动态调节固-液界面接触起电离子电子信号，并结合人机交互界面构建了多通道自驱动逻辑电路控制系统，以获取更多信息、控制机器人运动，进一步推动了自动化和智能控制系统的发展。

图6. TTI仿神经模拟电路应用展示。（A）器件照片。（B）TTI仿神经模拟电路示意图。（C）TTI控制机器人运动。（D）TTI的优化参数和潜在应用。

本工作利用固-液接触起电和不同金属功函数差异的协同效应，提出了一种电量可调节液滴作为栅极，两个不同金属电极作为源极和漏极的类晶体管式摩擦离子电子学器件。液滴通过与绝缘固体电介质接触起电而带有电荷，液滴中的电荷在不同金属电极的内置电场（E_in）作用下被高效且定向地释放至外部电路，从而产生直流输出。作为离子电子学的一种类型，摩擦离子电子学器件信号具有不受磁场影响的优点，并且比传统电子学具有更广泛的应用。此外，得益于金属电极与水之间的低界面电阻和E_in的驱动，单个液滴所收集的电荷密度高达13.926 mC/m²，比之前报道的电荷密度高出一个数量级（从0.014 mC/m²至0.566 mC/m²）。最终，类晶体管式摩擦离子电子学器件展示出了高信噪比和快速响应的自驱动阈值传感功能，在沉船、驾驶碰撞、地震和桥梁/隧道塌陷等紧急预警或报警方面具有极大应用价值，此外。类晶体管式摩擦离子电子学器件还可以用于构建仿神经电路来控制机器人运动，这意味着它在未来神经形态电路和感存算一体化设计等方面具有巨大的应用潜力。

该工作是魏迪研究员近期关于离子电子学研究的最新进展之一，其将纳米材料物理限域结构与化学过程相结合，研究离子超流效应等行为的调控，为新能源和类脑计算等前沿领域提供了全新研究范式。与硅基电子器件（Electronics)不同，以离子为信号载体的离子电子学（Iontronics）是研究纳米尺度下离子行为的交叉学科。魏迪研究员课题组介绍请登录http://iontronics.group/。课题组长期招聘博士后和科研助理，有意者欢迎登录课题组网站联系。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请魏迪研究员代表研究团队接受了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

魏迪研究员：

在后摩尔时代，晶体管作为基于冯·诺依曼架构的电子基本单元正趋近于摩尔定律的极限。离子电子学器件主要依赖离子作为载流子传递信号，能像神经一样在低能耗下调节离子电流的方向和大小。在这里，我们利用固-液接触起电来调节离子电子学的输出信号，并结合金属功函数差内建电场效应，提出了类晶体管摩擦离子电子学器件（TTI），不仅实现了13.926 mC/m²的创纪录的电荷密度输出，并且实现了具有高信噪比的自驱动阈值传感器。更重要的是，TTI可以利用液滴作为可调控栅极，集成多个器件构建自驱动逻辑电路以控制机器人运动，促进了自动化、智能化控制系统领域的发展。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

魏迪研究员：

我们主要是基于固-液接触起电先将液体进行“充电”，再利用金属功函数差内建电场对带电液滴进行“放电”，构建摩擦离子电子学器件以实现液滴能量的最大化收集和利用。最大的问题就是液滴从自驱动“充电”到“放电”过程的电荷传输效率较低，传统收集带电液滴的方式受限于聚合物材料的高内阻。为解决这个问题，我们选用接触起电性能优异的全氟乙烯丙烯共聚物材料（FEP）与液滴进行接触起电，提高固液接触起电过程的电荷转移效率。另外，利用不同金属电极形成的内建电场和金属自身低内阻特性直接驱动带电液滴中的电荷，实现单个液滴的最大化收集，提高离子电子学器件的输出电信号。 

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

魏迪研究员：

我们计划进一步优化固体和液体材料选择体系或者表面改性、结构设计以及器件封装来进一步提高TTI器件的输出性能和应用稳定性。而后，我们期望通过集成更多的TTI器件，构建仿神经电路的自驱动逻辑电路集成系统，实现在未来神经形态电路和感存算一体化设计等领域的应用，使我们的技术可以服务于人们生活。

CellPress：

最后，请与我们分享一下选择Device来发表这项工作的原因。

魏迪研究员：

Device是Cell Press细胞出版社旗下的旗舰期刊，是一个支持设备和应用导向研究的突破性期刊，包括应用物理、应用材料、纳米技术、机器人技术、能源研究、化学、生物技术和生物医学科学、光子学、电子学和工程学等交叉领域。Device发表了诸多具有出色贡献的杰作，这些论文和评论充分显示出该刊所涵盖设备类型和研究主题范围的广度。我们的工作非常符合Device期刊的内容范围和定位。为了最大化我们工作的影响力，我们选择了Device进行了投稿。

作者介绍

王中林

院士

王中林，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长，中国科学院大学纳米科学与技术学院院长、讲席教授，佐治亚理工学院终身校董事讲席教授。中国科学院外籍院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院外籍院士。王中林院士在国际一流刊物发表期刊论文2100余篇（其中13篇发表于Science，7篇发表于Nature，65篇发表在相应子刊上），200余项专利，7部专著和20余本编辑书籍和会议文集。受邀做过1000余次学术讲演和大会特邀报告，是国际纳米能源领域著名期刊Nano Energy的创刊者与现任主编。截止到2022年11月1日，google学术论文引用35万次以上，h因子（h-index）287。全球材料科学总引用数和h指数排名世界第一；世界横跨所有领域前10万科学家终身科学影响力综合排名第3位，其中2019年和2020年年度排名第1位。

魏迪

研究员

中国科学院北京纳米能源与系统研究员，离子电子学（Iontronics）实验室负责人，北京市政府特聘专家、首都科技领军人才，英国皇家化学会会士（FRSC），剑桥大学Wolfson学院高级研究员、芬兰Abo Akademi University客座教授。目前以通讯/第一作者发表论文100余篇，包括Nature Energy、Nature Commun、PNAS、Adv Mater、Energ Environ Sci、Matter等国际期刊。拥有国际专利申请（含PCT）200余项、获授权国际发明57项、授权中国专利28项，多项专利成功实现转化，转移给包括芬兰诺基亚、美国Lyten等公司。聚焦纳米技术在能源和传感上的应用，在Wiley、剑桥大学等出版社出版英文专著3部。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Transistor-like triboiontronics with record high charge density for self-powered sensors and neurologic analogs

▌论文网址：

https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(24)00124-8

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100332

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