湿气响应性氧化石墨烯纳米带用于信息存储

近日,美国凯斯西储大学(Case Western Reserve University)戴黎明(Liming Dai)教授课题组与北京理工大学曲良体(Liangti Qu)教授课题组合作,通过冷冻自组装技术制备了一种新型的氧化石墨烯纳米带网络结构膜(GOR-NM),形成用于制备湿气驱动自供能型信息存储器件。

电子设备在信息存储领域占据统治地位,例如二极管存储器,具有性能稳定、成本低、制备简便等优点。但是它们同时也存在着明显的缺陷,诸如运行过程中生热量高,实际使用过程中需配备热量散逸装置、运行依赖于外部能源供应等,这严重制约其兼容性、操作可靠性、安全性。近来,人们相继尝试回收利用系统运行产生的热量或采用光、力等外界刺激作为系统能量来源等诸多策略,来进行信息存储器件的效能优化。但是,对外部能源供应(尤其是电能)的依赖,这使得运行过程中的电热效应无法避免。

开发具有自供能功能的存储器件是避免电热效应的有效途径。近日,美国凯斯西储大学(Case Western Reserve University)戴黎明(Liming Dai)教授课题组与北京理工大学曲良体(Liangti Qu)教授点击查看介绍)课题组合作,通过冷冻自组装技术制备了一种新型的氧化石墨烯纳米带网络结构膜(GOR-NM),形成用于制备湿气驱动自供能型信息存储器件

湿气响应性氧化石墨烯纳米带用于信息存储

图1. GOR-NM信息存储示意图。图片来源:Adv. Mater.

该研究选用富含亲水性基团多孔性的氧化石墨烯纳米带(GOR)为材料骨架(如图2 a, b)。氧化石墨烯纳米带通过氧化纵向拉开(longitudinal unzipping)的多壁碳纳米管制备。GOR-NM骨架上具有几十纳米到几微米尺度的网眼相互连接,贯穿整个膜层,作为离子通道;通过水合作用捕获水分子,赋予通道较高离子传输率,使得器件具有较高读写效率。该研究采用电化学还原法使得GOR-NM具有含氧官能基团浓度梯度,从而捕获不同含量的水分构筑离子浓度梯度,实现电势驱动的g-GOR-NM离子通道的开关(图2 c, d)。

湿气响应性氧化石墨烯纳米带用于信息存储

图2. GOR-NM微观空隙结构及工作原理示意。图片来源:Adv. Mater.

GOR-NM通过其含氧基团的亲水性作用以及空隙的毛细管作用捕获水分。实验统计表明:当环境湿度RH = 35%,器件的水合效率最高。通过器件电阻值得变化能够进行其水合效率的相对性表征,数据表明,当环境湿度从5%升高到35%时,其电阻值发生明显降低(降低约2个数量级,图3 a, b),此时离子通道处于开通状态;同时,该电阻值变化随湿度变化展现出具有良好的转换(离子通道开/关)可逆性(图3 c)。

湿气响应性氧化石墨烯纳米带用于信息存储

图3. GOR-NM的湿度敏感性测试。图片来源:Adv. Mater.

GOR-NM体系具有含氧官能团浓度梯度,使得该体系具有湿度驱动下的离子浓度梯度,从而使得体系具备了自供能的可能性。通过循环电路测试表明:g-GOR-NM表面含氧官能团经水合作用,产生游离的阳离子(H+)和固定的阴离子(Oδ-),基于器件结构中的梯度水合作用,产生阳离子的迁移,形成电势;当湿度从5%升高到35%(0.2 s)时,触发电压达到40 mV,产生了0.3 mA.cm-2(0.8 s)的电流强度。

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图4. g-GOR-NM体系自供能效果表征。图片来源:Adv. Mater.

以Al为基底,以Ag为表面电极,研究人员制备了GOR-NM信息存储器件。该器件的ON/OFF电压比高达106(RH = 30%),非常适用WORM型存储技术进行信息刻录,具有更高的数据读取准确性。此外,该器件展现出了卓越的柔韧性和数据储存的长期稳定性。

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图5. GOR-NM自供能WORM型存储装置。图片来源:Adv. Mater.

—— 总结 ——

该研究报道了一种智能的湿气驱动离子通道开/关的新方法。基于此,研究团队构建了GOR-NM为材质的自供能WORM型存储器件。该器件展现出了优异的信息存储精度、良好的信息存储稳定性;同时该器件展现出较好的柔性,适用于柔性电子领域。该研究还能够进一步应用到生物医学诊断传感器、微纳发电机等诸多领域。

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湿气响应性氧化石墨烯纳米带用于信息存储

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201604972/abstract

Graphene Oxide Nanoribbon Assembly toward Moisture-Powered Information Storage

Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201604972

导师介绍

曲良体教授

http://www.x-mol.com/university/faculty/8911

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