1971年,加州大学伯克利分校蔡少棠教授首次提出忆阻器概念,作为电阻器、电感器和电容器之外的第四种基本电路元件,具备记忆功能。2008年,惠普成功制造了TiO2基忆阻器,但固态器件模拟化学突触存在困难。2021年,法国Bocquet团队预测二维纳米通道具备离子记忆功能,并在2023年构筑了基于受限聚电解质-离子相互作用的纳流体离子忆阻器。超级电容器具有与流体忆阻器类似的三明治结构。因此,通过在超级电容器中设计纳米离子通道,有望实现类似忆阻器的记忆功能。
中山大学阎兴斌教授团队利用金属有机框架ZIF-7的孔道内非线性离子传输,构建了新型超级电容器忆阻器。在水系赝电容器中,OH−阴离子在不同电压区间的富集和释放导致了离子导电性的滞后效应,实现了忆阻特性。这展示了超级电容器在仿生纳流体离子学和神经形态计算等领域的应用潜力。该工作以“Constructing a supercapacitor-memristor through nonlinear ion transport in MOF nanochannels”为题发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)。中山大学材料科学与工程学院在读博士生唐培为第一作者,阎兴斌教授和窦青云副教授为通讯作者。
从流体忆阻器到超级电容器忆阻器
图1. 离子传输忆阻特性示意图:受生物细胞膜的离子纳米通道启发,从流体忆阻器到超级电容器忆阻器
超级电容器忆阻器的结构设计
图2. 电容耦合忆阻效应及其工作机理示意图
超级电容器忆阻器的忆阻和电化学性能
CAPistor在时变偏置电压下表现出非线性I-V特性,有历史依赖的忆阻器特性,在电压为零时曲线仍显示非零电流。根据Chua理论,周期性施加电压下的压缩I-V曲线展现了非零交叉特征,与历史依赖的忆阻器属性一致。此外,CAPistor的夹层结构在外部电压降为零时仍存在内电场,这使得I-U滞后行为等于电容电流和忆阻电流的总和。设备的电阻状态在电压增加到1.6 V时从原始状态切换到低电阻状态,而在电压下降到0 V时,电流变小并切换到高电阻状态。设备在不同电位下的非线性离子运输表现出高导电状态(“开”状态)和低导电状态(“关”状态),且状态转换具有滞后效应,从而实现记忆功能。
图3. 超级电容器忆阻器的电容和忆阻性能汇总
同步辐射表征和理论计算揭示忆阻机制
图4. XAFS同步辐射表征揭示ZIF-7电极在正负偏压下的结构演变
图5. 理论计算模拟MOF孔道内部的非线性离子传输