通過生物離子通道對離子傳輸的整流引起了很多關注，并激發了離子二極管的蓬勃發展和應用。然而，高性能離子二極管的發展仍然具有挑戰性，由一維離子納米通道構建的離子二極管的工作機制尚未完全了解。這項工作報告了對由水平排列的多壁碳納米管 (MWCNT) 構成的新型離子二極管的設計和機制的系統研究，其兩個入口處裝飾有帶相反電荷的聚合電解質。基于 MWCNT 的離子二極管的主要設計和工作參數，包括離子通道尺寸、驅動電壓、工作流體的性質以及電荷修改的數量和長度，通過數值模擬和/或實驗進行了廣泛的研究。在基于 MWCNT 的離子二極管上通過實驗實現了 1481.5 的優化離子電流整流 (ICR) 比。這些結果保證了基于 MWCNT 的離子二極管在生物傳感和生物計算中的潛在應用。作為概念驗證，在離子二極管上演示了 DNA 檢測和 HIV-1 診斷。這項工作提供了對基于 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計和優化。
Figure 1. 基于多壁碳納米管的離子二極管的設計、建模和制造。（a）離子二極管工作原理的示意圖，其中移動離子通過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電的PSS分子整流。（b）聚合電解質修飾的離子二極管的數值模擬。（c）通過化學氣相沉積（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圖像。（e）納米流體芯片的光學圖像，顯示了由一束多壁碳納米管橋接的兩個微通道。插圖顯示了PDMS鍵合后的納米流體芯片。（f）嵌入了MWCNT的兩個微通道和SU-8側壁的SEM圖。插圖顯示了機械撕脫后嵌入的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性能與之前報道的基于不同納米結構構建的離子二極管的ICR性能的比較。
Figure 2. 基于MWCNT的離子二極管的ICR效應的數值模擬以及外加電壓和電滲流(EOF)對ICR性能的影響。（a）當正向偏置電壓（上）和反向偏置電壓（下）施加在離子通道上時，MWCNT納米通道中離子積累和消耗的模擬結果。（b）在-1至1 V的施加電壓范圍內，以5和24 nm的電荷修改長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流部分的貢獻。（d）離子二極管的實驗I-V曲線和相應的ICR比（插圖）。（e）在-200到200 V范圍內工作的離子二極管的模擬結果和（f）相應的ICR比。
Figure 3.通道直徑、通道長度和電荷修飾長度對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的離子二極管的ICR比的模擬結果。（b-d）通道長度對離子二極管ICR性能影響的實驗結果。（b）由三個離子二極管D
1、D
2和D
3構成的納米流體芯片的SEM圖，通道長度分別為50、100和150 µm。（c）溝道長度對在±5 V下工作的離子二極管的ICR性能影響的實驗結果。（d）從這三個離子二極管測量的典型I-V曲線示例。（e，f）電荷修改長度對離子二極管ICR性能影響的仿真結果，其中（e）對稱修改長度
LPSS =
LPDAC和（f）不對稱修改長度，
LPDAC = 45 nm-
LPSS。
Figure 4. KCl濃度對基于多壁碳納米管的離子二極管ICR性能的影響。（a）KCl濃度對基于MWCNT的離子二極管性能影響的數值模擬結果，在端子上具有5nm長電荷修飾。（b）基于MWCNT的離子二極管的模擬結果和實驗結果（插圖）在通道流體中以對稱的KCl濃度工作。（c）基于MWCNT的離子二極管在兩個通道流體中使用不對稱KCl濃度的實驗結果。左側通道儲液器充滿在1×10
-6 M KCl溶液中稀釋的2% PSS，右側儲液器充滿在1×10
-6 M至1 M范圍內的KCl溶液中稀釋的2% PDAC。（d）充滿不對稱濃度KCl溶液的基于MWCNT的離子二極管的滲透電位（開路電位）。
Figure 5.電荷密度和聚合電解質濃度對基于多壁碳納米管的離子二極管的ICR性能的影響。（a）電荷修正對離子二極管性能影響的數值模擬結果。（b）離子二極管在對稱電荷密度修改下工作的數值模擬結果和在聚合電解質對稱濃度下工作的二極管的實驗結果。（c）ICR性能的實驗結果和（d）離子二極管的I-V曲線，其使用不對稱濃度的聚合電解質，其中左通道儲液器中的PDAC為1 ppm，右通道儲液器中的PDAC濃度范圍為0.0001%至2 %。（e）ICR性能的實驗結果和（f）使用不對稱濃度聚合電解質工作的離子二極管的I-V曲線，其中右通道儲液器充滿2% PDAC，左通道儲液器充滿PSS，范圍從0.001% 至 2%。
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Figure 6.用于 DNA 檢測的基于 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域（(b) 中的虛線矩形區域）的熒光圖像。（e）目標 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）。
相關研究成果由多倫多大學Xinyu Liu 課題組于2021年發表在《Small》（https://doi.org/10.1002/smll.202100383）上。原文：Understanding Carbon Nanotube-Based Ionic Diodes: Design and Mechanism。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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