通過(guò)生物離子通道對(duì)離子傳輸?shù)恼饕鹆撕芏嚓P(guān)注，并激發(fā)了離子二極管的蓬勃發(fā)展和應(yīng)用。然而，高性能離子二極管的發(fā)展仍然具有挑戰(zhàn)性，由一維離子納米通道構(gòu)建的離子二極管的工作機(jī)制尚未完全了解。這項(xiàng)工作報(bào)告了對(duì)由水平排列的多壁碳納米管 (MWCNT) 構(gòu)成的新型離子二極管的設(shè)計(jì)和機(jī)制的系統(tǒng)研究，其兩個(gè)入口處裝飾有帶相反電荷的聚合電解質(zhì)。基于 MWCNT 的離子二極管的主要設(shè)計(jì)和工作參數(shù)，包括離子通道尺寸、驅(qū)動(dòng)電壓、工作流體的性質(zhì)以及電荷修改的數(shù)量和長(zhǎng)度，通過(guò)數(shù)值模擬和/或?qū)嶒?yàn)進(jìn)行了廣泛的研究。在基于 MWCNT 的離子二極管上通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了 1481.5 的優(yōu)化離子電流整流 (ICR) 比。這些結(jié)果保證了基于 MWCNT 的離子二極管在生物傳感和生物計(jì)算中的潛在應(yīng)用。作為概念驗(yàn)證，在離子二極管上演示了 DNA 檢測(cè)和 HIV-1 診斷。這項(xiàng)工作提供了對(duì)基于 MWCNT 的離子二極管的工作原理的全面理解，并將允許合理的器件設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
Figure 1. 基于多壁碳納米管的離子二極管的設(shè)計(jì)、建模和制造。（a）離子二極管工作原理的示意圖，其中移動(dòng)離子通過(guò)MWCNT納米通道的傳輸被帶正電的PDAC和裝飾在納米通道入口上的帶負(fù)電的PSS分子整流。（b）聚合電解質(zhì)修飾的離子二極管的數(shù)值模擬。（c）通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）在硅晶片上合成的垂直排列的多壁碳納米管陣列的掃描電子顯微鏡（SEM）圖。（d）從多壁碳納米管陣列剝落的一束水平排列的多壁碳納米管的光學(xué)圖像。（e）納米流體芯片的光學(xué)圖像，顯示了由一束多壁碳納米管橋接的兩個(gè)微通道。插圖顯示了PDMS鍵合后的納米流體芯片。（f）嵌入了MWCNT的兩個(gè)微通道和SU-8側(cè)壁的SEM圖。插圖顯示了機(jī)械撕脫后嵌入的MWCNT的放大視圖。（g）I-V 曲線在基于 MWCNT 的離子二極管上測(cè)試，ICR比為1148.5，±5V。（h）我們的基于MWCNT的離子二極管的ICR性能與之前報(bào)道的基于不同納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建的離子二極管的ICR性能的比較。
Figure 2. 基于MWCNT的離子二極管的ICR效應(yīng)的數(shù)值模擬以及外加電壓和電滲流(EOF)對(duì)ICR性能的影響。（a）當(dāng)正向偏置電壓（上）和反向偏置電壓（下）施加在離子通道上時(shí)，MWCNT納米通道中離子積累和消耗的模擬結(jié)果。（b）在-1至1 V的施加電壓范圍內(nèi)，以5和24 nm的電荷修改長(zhǎng)度工作的離子二極管的模擬I-V特性。（c）由EOF引起的總離子流的分量和對(duì)流部分的貢獻(xiàn)。（d）離子二極管的實(shí)驗(yàn)I-V曲線和相應(yīng)的ICR比（插圖）。（e）在-200到200 V范圍內(nèi)工作的離子二極管的模擬結(jié)果和（f）相應(yīng)的ICR比。
Figure 3.通道直徑、通道長(zhǎng)度和電荷修飾長(zhǎng)度對(duì)基于多壁碳納米管的離子二極管ICR性能的影響。（a）作為納米通道直徑函數(shù)的離子二極管的ICR比的模擬結(jié)果。（b-d）通道長(zhǎng)度對(duì)離子二極管ICR性能影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（b）由三個(gè)離子二極管D
1、D
2和D
3構(gòu)成的納米流體芯片的SEM圖，通道長(zhǎng)度分別為50、100和150 µm。（c）溝道長(zhǎng)度對(duì)在±5 V下工作的離子二極管的ICR性能影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（d）從這三個(gè)離子二極管測(cè)量的典型I-V曲線示例。（e，f）電荷修改長(zhǎng)度對(duì)離子二極管ICR性能影響的仿真結(jié)果，其中（e）對(duì)稱修改長(zhǎng)度
LPSS =
LPDAC和（f）不對(duì)稱修改長(zhǎng)度，
LPDAC = 45 nm-
LPSS。
Figure 4. KCl濃度對(duì)基于多壁碳納米管的離子二極管ICR性能的影響。（a）KCl濃度對(duì)基于MWCNT的離子二極管性能影響的數(shù)值模擬結(jié)果，在端子上具有5nm長(zhǎng)電荷修飾。（b）基于MWCNT的離子二極管的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果（插圖）在通道流體中以對(duì)稱的KCl濃度工作。（c）基于MWCNT的離子二極管在兩個(gè)通道流體中使用不對(duì)稱KCl濃度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。左側(cè)通道儲(chǔ)液器充滿在1×10
-6 M KCl溶液中稀釋的2% PSS，右側(cè)儲(chǔ)液器充滿在1×10
-6 M至1 M范圍內(nèi)的KCl溶液中稀釋的2% PDAC。（d）充滿不對(duì)稱濃度KCl溶液的基于MWCNT的離子二極管的滲透電位（開(kāi)路電位）。
Figure 5.電荷密度和聚合電解質(zhì)濃度對(duì)基于多壁碳納米管的離子二極管的ICR性能的影響。（a）電荷修正對(duì)離子二極管性能影響的數(shù)值模擬結(jié)果。（b）離子二極管在對(duì)稱電荷密度修改下工作的數(shù)值模擬結(jié)果和在聚合電解質(zhì)對(duì)稱濃度下工作的二極管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（c）ICR性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和（d）離子二極管的I-V曲線，其使用不對(duì)稱濃度的聚合電解質(zhì)，其中左通道儲(chǔ)液器中的PDAC為1 ppm，右通道儲(chǔ)液器中的PDAC濃度范圍為0.0001%至2 %。（e）ICR性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和（f）使用不對(duì)稱濃度聚合電解質(zhì)工作的離子二極管的I-V曲線，其中右通道儲(chǔ)液器充滿2% PDAC，左通道儲(chǔ)液器充滿PSS，范圍從0.001% 至 2%。
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Figure 6.用于 DNA 檢測(cè)的基于 MWCNT 的離子二極管的演示。（a）基于多壁碳納米管的離子二極管的末端功能化和DNA檢測(cè)示意圖。（b）納米流體芯片的 SEM 圖像。（c，d）靶 DNA 雜交前后通道屏障區(qū)域（(b) 中的虛線矩形區(qū)域）的熒光圖像。（e）目標(biāo) DNA 雜交前后納米流體芯片的典型 I-V 曲線。（f）靶向 HIV-1 DNA 雜交前后基于 MWCNT 的離子二極管的 ICR 比（±5 V）。
相關(guān)研究成果由多倫多大學(xué)Xinyu Liu 課題組于2021年發(fā)表在《Small》（https://doi.org/10.1002/smll.202100383）上。原文：Understanding Carbon Nanotube-Based Ionic Diodes: Design and Mechanism。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)
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