基于冯·诺依曼架构的传统硅基电子器件正趋近于摩尔定律的物理极限，并受限于现有制造工艺的加工技术瓶颈。受生物系统中低能耗离子电子信号传输功能启发，近年来快速地发展的离子电子学器件提供了一种高效信息处理和传导的方法。近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所魏迪研究员与王中林院士团队提出了一种利用都会存在于固-液界面的接触起电效应来调节离子电子信号输出的方法，并借助不同金属功函数差形成内建电场设计类晶体管式摩擦离子电子器件（TTI），用于自驱动传感和仿神经逻辑电路控制管理系统。得益于金属材料的低内阻特性，本工作实现了单个带电液滴的超高电荷密度（13.926 mC/m 2 ）。另外，由带电液滴作为动态栅极，两种金属电极作为类源、漏电极而组成的TTI具有高信噪比和快速响应优势，可以在一定程度上完成自供电阈值传感功能，并且能仿照神经逻辑电路控制机器人运动，为未来传感器内计算和神经形态模拟提供了新的思路和范例。该成果以“Transistor-like triboiontronics with record high charge density for self-powered sensors and neurologic analogs”为题发表在近期的Device期刊上。

  传统硅基电子器件基于冯·诺依曼架构，正接近摩尔定律的物理极限，且受限于现有制造工艺的技术瓶颈，这限制了生物系统和电子设备之间的信息交换。离子电子学器件将电子特性和离子特性结合起来，具有低能耗和快速电信号传输的优势，可以模仿生物系统中的神经元功能，构建神经逻辑电路。离子电子学器件的目标之一是有效调控电子和离子的传输过程，实现计算和逻辑信号的传输功能。以往的研究主要是通过电化学氧化还原反应、盐度梯度或外加电压来调控离子电子信号，但这一些方法通常存在响应速度慢、操作复杂或能耗高的问题。通过固体和液体之间广泛存在的接触起电现象可以将机械能直接转化为电能，为可持续自驱动能源收集提供了一种新方法。其中，提高固-液界面电荷转移效率是提升机械能到电能转换的重要的条件之一，但是常常受限于绝缘固体材料的高内阻特性，不可避免的会耗散一部分能量。

  本文开发设计了一种类晶体管式摩擦离子电子学器件（TTI），利用金属材料的低内阻特性，实现了单个带电液滴的创纪录电荷密度输出（13.926mC/m2），另外得益于高信噪比和快速响应等优势实现了自驱动传感和构建了仿神经逻辑电路，为未来感存算一体和神经形态模拟提供了新的思路和范例。

  2、实现了创纪录的高电荷密度输出（13.926mC/m2），是其他同类系统的25倍。

  3、构建类晶体管式摩擦离子电子学器件，开发了具有高信噪比的自驱动阈值传感器以及仿神经逻辑电路，为低能耗类脑计算等方向提供了关键的研究基础。

  本工作利用固-液接触起电和不同金属功函数差异的协同效应，提出了一种电量可调节液滴作为栅极，两个不同金属电极作为源极和漏极的类晶体管式摩擦离子电子学器件。液滴通过与绝缘固体电介质接触起电而带有电荷，液滴中的电荷在不同金属电极的内置电场（Ein）作用下被高效且定向地释放至外部电路，由此产生直流输出。作为离子电子学的一种类型，摩擦离子电子学器件信号具有不受磁场影响的优点，并且比传统电子学具有更广泛的应用。此外，得益于金属电极与水之间的低界面电阻和Ein的驱动，单个液滴所收集的电荷密度高达13.926 mC/m2，比之前报道的电荷密度高出一个数量级（从0.014 mC/m2至0.566 mC/m2）。最终，类晶体管式摩擦离子电子学器件展示出了高信噪比和快速响应的自驱动阈值传感功能，在沉船、驾驶碰撞、地震和桥梁/隧道塌陷等紧急预警或报警方面具有极大应用价值，此外。类晶体管式摩擦离子电子学器件还能够适用于构建仿神经电路来控制机器人运动，这在某种程度上预示着它在未来神经形态电路和感存算一体化设计等方面具有巨大的应用潜力。

  该工作是魏迪教授近期关于离子电子学研究的最新综述之一。以离子为信号载体的离子电子学（Iontronics）是研究纳米尺度下离子行为的交叉学科，其聚焦纳米限域空间内离子-电子耦合关系，为新能源和类脑计算等前沿领域提供了全新研究范式。魏迪教授课题组介绍请登录。课题组长期招聘博士后和科研助理，有意者欢迎登录课题组网站联系。

  王中林 院士，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长，中国科学院大学纳米科学与工程学院院长、讲席教授，佐治亚理工学院终身校董事讲席教授。中科院外籍院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院外籍院士。王中林院士在国际一流刊物发表期刊论文2100余篇（其中13篇发表于Science，7篇发表于Nature，65篇发表在相应子刊上），200余项专利，7部专著和20余本编辑书籍和会议文集。受邀做过1000余次学术讲演和大会特邀报告，是国际纳米能源领域著名期刊Nano Energy的创刊者与现任主编。截止到2022年11月1日，google学术论文引用35万次以上，h因子（h-index）287。全球材料科学总引用数和h指数排名世界第一；世界横跨所有领域前10万科学家终身科学影响力综合排名第3位，其中2019年和2020年年度排名第1位。

  魏迪 教授，中国科学院北京纳米能源与系统研究员，离子电子学（Iontronics）实验室负责人，北京市政府特聘专家、首都科技领军人才, 英国皇家化学会会士（FRSC），剑桥大学Wolfson学院高级研究员、芬兰Abo Akademi University客座教授。目前以通讯/第一作者发表论文100余篇，包括Nature Energy、Nature Communications、PNAS、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Matter等国际期刊。拥有国际专利申请（含PCT）200余项、获授权国际发明57项、授权中国专利28项，多项专利成功实现转化，转移给包括芬兰诺基亚、美国Lyten等公司。聚焦纳米技术在能源和传感上的应用，在Wiley、剑桥大学等出版社出版英文专著3部。

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