一种基于异质结耦合离电转换梯度的离子整流器件及其制备方法、离子电路系统

本发明属于柔性电子器件，具体涉及一种基于异质结耦合离电转换梯度的离子整流器件及其制备方法、离子电路系统。

背景技术：

1、离子二极管是一类能够对离子流实现单向导通与反向抑制的功能器件，可用于离子整流、离子信号调制与能量转换等过程，并可进一步作为离子电路的基础单元应用于柔性电子、可穿戴传感、仿生神经形态器件以及微流控分析等领域。然而，现有离子二极管在实际应用中仍普遍存在整流比偏低的问题，通常表现为反向漏电流较大、离子传输方向选择性不足，尤其在液相/凝胶等复杂流体环境中，离子传输相较电子传输更易受界面效应、浓度梯度及通道几何结构影响，进而限制其整流输出能力。因此，获得具有稳定离子整流特性且易于集成的离子二极管结构，对于推动柔性离子器件技术的发展与相关应用的发展具有重要意义。

2、为改善上述问题，现有技术中提出了多种改进方案：其一，通过优化离子通道的几何形状（如锥形、纳米孔、梯度孔道等）以引入传输差异；如公开专利cn105044170a中采用纳米吸量管/纳米孔结构，其内部孔隙呈锥形并形成典型的非对称纳米孔道，从而利用几何非对称性产生或调制离子整流行为，但其公开的整流比仅约为 2；其二，通过修饰通道表面电荷或引入功能基团以增强离子选择性；如公开专利cn110310754a中在阳极氧化铝（aao）多孔膜的一侧负载表面带氨基或羧基官能团的聚苯乙烯微球/二氧化硅微球，构建双层非对称结构，通过带电官能团调控膜表面电荷分布与离子选择性实现整流，但其整流比仍主要处于个位数（约 3.5–6.2）；其三，通过构建结构或材料上的非对称性（如异质结、非对称电极或双层结构等）以实现方向依赖的离子迁移；如公开专利cn108178119a中以aao为基底，在膜两侧分别沉积等电点不同的无机氧化物薄膜，使两侧在溶液中呈现异种电荷分布，从而形成材料/界面电荷非对称性并产生离子整流效应，但其整流比最高仅约为 15.3。综上，现有技术中仍未能从根本上解决离子二极管整流比偏低的问题，在整流提升幅度、稳定性及重复性方面仍存在局限，导致器件在较宽电压范围和不同电解质条件下难以获得持续且可靠的高整流输出。

3、因此，有必要针对现有离子二极管整流比低且难以稳定提高的问题，提供一种能够有效增强单向离子传输并显著抑制反向离子泄漏的离子二极管技术方案，使其在保证器件结构稳定性与可重复性的前提下，实现更高整流比与更可靠的工作表现，并具备工艺简便、易于集成以及适用于柔性/大面积制备等特点，以满足离子电路与新兴应用场景的需求。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于异质结耦合离电转换梯度的离子整流器件及其制备方法、离子电路系统，显著提高了离子二极管的离子整流性能，使器件在较宽工作条件下实现更高整流比与更可靠的整流输出。

2、为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于异质结耦合离电转换梯度的离子整流器件，包括离子传输通道、第一电极和第二电极；所述离子传输通道内设有沿离子传输方向依次排列的第一离子选择性层和第二离子选择性层，所述第一离子选择性层和所述第二离子选择性层具有不同的离子选择特性，以在所述离子传输通道内形成离子迁移梯度；所述第一电极和第二电极分别位于所述离子传输通道的两端，且具有不同的离子-电子转换特性，以在电极-电解质界面形成转换效率梯度；所述离子迁移梯度的方向与所述转换效率梯度的方向同向配置，以协同增强正向离子传输并抑制反向离子传输。

4、作为一种实施方式，所述第一电极的离子-电子转换效率低于所述第二电极的离子-电子转换效率；所述第一离子选择性层靠近所述第一电极设置，所述第二离子选择性层靠近所述第二电极设置；在正向偏置条件下，离子从所述第一离子选择性层向所述第二离子选择性层迁移的方向，与离子向所述第二电极进行离子-电子转换的方向一致。

5、作为一种实施方式，所述第一离子选择性层和所述第二离子选择性层分别为聚阴离子电解质层和聚阳离子电解质层；所述聚阴离子电解质层和所述聚阳离子电解质层在界面处形成带相反电荷的异质界面，以构建离子双电层；优选为 pssna/pdacl 异质界面。

6、作为一种实施方式，所述聚阳离子电解质层包含聚二烯丙基二甲基氯化铵，所述聚阴离子电解质层包含聚苯乙烯磺酸钠；所述聚阳离子电解质层和所述聚阴离子电解质层中还包含基底材料，所述基底材料包括细菌纤维素或聚乙烯醇中的至少一种。

7、作为一种实施方式，所述第一电极为金属钛电极，所述第二电极为mxene二维膜电极；所述mxene二维膜电极的材料包括ti3c2tx mxene。

8、作为一种实施方式，所述第一离子选择性层、所述第二离子选择性层以及所述第二电极均为自支撑柔性薄膜；所述离子整流器件整体呈三明治式层状堆叠结构。

9、作为一种实施方式，所述第一离子选择性层和所述第二离子选择性层的表面zeta电位符号相反；且所述第一离子选择性层和所述第二离子选择性层的表面zeta电位的绝对值随其内部聚电解质浓度的增加而增大。

10、本发明还提供了一种基于异质结耦合离电转换梯度的离子整流器件的制备方法，包括以下步骤：

11、制备第一离子选择性层和第二离子选择性层，使所述第一离子选择性层和所述第二离子选择性层具有不同的离子选择特性；

12、制备第一电极和第二电极，使所述第一电极和所述第二电极具有不同的离子-电子转换特性；

13、按照所述离子迁移梯度的方向与所述转换效率梯度的方向同向配置的原则，将所述第一电极、所述第一离子选择性层、所述第二离子选择性层和所述第二电极依次层叠组装，得到所述离子整流器件。

14、以上所述步骤中，制备第一离子选择性层和第二离子选择性层，具体包括以下步骤：将聚电解质与基底溶液混合，经轨道摇床搅拌、真空脱气及恒温干燥，得到所述第一离子选择性层和所述第二离子选择性层；

15、制备第二电极具体包括以下步骤：通过真空辅助抽滤及真空干燥制备mxene二维膜电极作为所述第二电极；

16、依次层叠组装在化学惰性环境下进行。

17、本发明还提供了一种离子电路系统，包括上述离子整流器件；所述离子电路系统为全波整流桥电路或逻辑门电路，所述离子整流器件作为基础单元集成于所述离子电路系统中。

18、有益效果：本发明提供了一种基于异质结耦合离电转换梯度的离子整流器件及其制备方法、离子电路系统，与现有技术相比具有以下优势：

19、本发明提供的离子整流器件，通过在离子传输通道内构建具有不同离子选择特性的异质界面形成离子迁移梯度，并在两端电极界面构建具有不同离子-电子转换特性的转换效率梯度，且将两种梯度沿同一方向耦合配置。在正向偏置下，离子迁移梯度促进特定离子跨界面传输，同时高转换效率电极界面加速离子-电子转换，两者叠加显著增强了正向电流；在反向偏置下，在反向偏置条件下，离子回迁受到离子异质结的抑制，加之低转换效率电极界面对电荷转移的限制，形成了对反向电流的双重抑制机制。这种双重非对称机制的同向耦合，克服了现有技术中单一机制整流能力有限的缺陷，本发明在不增加器件复杂度的前提下，实现了远高于传统结构的整流比与更低的反向漏电流，为高性能柔性离子电路提供了可靠的基础器件平台。