Electrostatic control of Li+ density and transport rate in double-gated van der Waals devices
这项研究表明，双栅极范德华器件能够实现对锂离子密度和传输速率的独立二维控制，从而构建出具有存储与逻辑功能的混合离子-电子晶体管，克服了传统一维离子传输控制的局限性。
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在电子世界中，晶体管是驱动我们数字生活的基本开关。它的工作原理是通过控制电子（微小的带电粒子）在材料中的流动。通过调节电压，工程师可以精确决定存在多少电子以及它们移动的速度，从而实现复杂的计算和存储功能。科学家们长期以来一直好奇，离子（带电的原子而非电子）是否也能以类似的精度得到控制。离子是电池和生物系统中的主力军，它们在材料中移动以储存能量或传递信号。然而，控制离子一直很困难，因为推动它们前进的力量通常也会决定它们的数量。这造成了一个瓶颈：为了让更多的离子移动，你往往必须改变整个环境，导致很难独立管理它们的密度和速度。这一局限性阻碍了依赖离子流而非电子流的新型计算机和储能设备的发展。
曼彻斯特大学的一个研究小组现在找到了一种打破这一瓶颈的方法。他们利用原子级薄层材料构建了一个微型器件，具体是将石墨烯或二硫化钼堆叠在六方氮化硼片之上。这些层非常薄，本质上是二维的，并且被放置在一个硅支撑体的微型孔洞之上。研究人员在这一堆叠结构的两个侧面都涂覆了含有锂离子的液体电解质。至关重要的是，他们在顶部和底部各放置了两个独立的电极门，使他们能够同时施加两个不同的电压。这种被称为“双栅极”的设置为他们提供了两个独立的控制旋钮。一个控制调节位于层间界面的锂离子总数，而另一个控制则调节促使这些离子沿通道移动的电推力。
当研究人员测试该器件时，他们发现自己可以以极高的稳定性开启和关闭锂离子的流动。通过调节第一个电压，他们可以将离子捕获在特定的、稳定的层中，创造出离子数量保持恒定的不同状态。一旦离子就位，第二个电压就可以用于加速或减慢它们的移动，而不改变其数量。这与以往的方法有着显著不同，在以往的方法中，改变离子的速度不可避免地会改变它们的密度。该器件表现得像是一个离子晶体管，能够维持高流量或低流量的状态。研究人员观察到离子呈现出一种滞后模式，这意味着器件能够记住其之前的状态。一旦离子被加载到通道中，即使在初始加载电压移除后，它们仍会留在那里，只有在施加特定的反向电压时才会离开。
这种新系统的稳定性令人印象深刻。虽然使用单电压控制的类似器件通常在仅几十个循环后就会失效，但这些双栅极器件在超过一千个切换循环后仍未出现任何磨损迹象。研究人员还测量了离子在不同温度下的移动情况。他们发现，离子的移动需要一定的热能才能启动，这证实了离子是跳入层间空间，而不是仅仅通过裂缝泄漏。通过分析材料中的电子信号与离子流，他们确认了每种稳定状态下的离子数量与材料本身的电荷完美平衡。这种平衡使他们能够计算离子的密度，发现他们可以在这个微小的界面中填充大量的离子。
这项发现最令人兴奋的方面在于能够独立于密度来控制离子的速度。在传统设置中，让离子移动得更快通常需要提高电压，但这会导致电压过高从而损坏器件或引发不希望发生的化学反应。在这种新设计中，研究人员可以保持离子密度不变，只需增加沿通道的推力即可加速流动。这意味着该器件可以在不对材料施加破坏性高压的情况下运行得更快。研究人员通过使用该器件执行基础逻辑运算证明了这一点。他们可以通过将离子密度设置为高或低状态来向器件写入信息，然后通过测量电流流向来读取该信息，且电流流向可以进行连续调节。即使在断电后，该器件仍能保留这些信息，起到一种存储器的作用。
这项工作为如何在原子尺度上控制物质提供了一种新的思考方式。通过将粒子数量与其移动力解耦，科学家现在可以探索以前无法实现的运行机制。以如此高精度存储和移动离子的能力，为更高效的储能系统以及模仿生物大脑处理信息方式的新型计算开辟了大门。研究人员表明，通过使用两个独立的控制装置，他们可以创建一个能够高可靠性地管理电子电流和离子电流的混合器件。这一突破不仅仅是改进了现有技术，它还建立了一个全新的框架，用于设计那些可以像操纵电流一样精细操控物质流动的器件。
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