鄒德春課題組在鈣钛礦憶阻器及PEDOT超級電容器領域取得新進展

一．鈣钛礦應用的新路線——首個纖維形态的鈣钛礦憶阻器件研發成功

       近幾年來，作為一種新型的太陽電池材料，有機無機雜化的鈣钛礦材料得到了持續增長的研究關注，由于制備方法簡單、器件效率優良并且有潛力超遠前面幾代的材料體系，這類鈣钛礦很快就成為了能源領域的“搖滾明星”。鈣钛礦太陽能電池之所以具有可觀的性能，材料本身優良的載流子傳輸能力是一個決定性因素，而這種性質很有可能賦予鈣钛礦材料在其他更多領域“一展身手”的機會。近段時間來，陸續有幾篇文章報道了有機無機雜化的鈣钛礦材料的憶阻性質以及其作為信息存儲材料的潛力。憶阻，顧名思義，是指一類具有記憶響應的電阻，其具有的高、低阻兩個電阻狀态恰好對應了二進制中“0”和“1”兩個狀态，因此，具有了應用于信息存儲及計算領域的潛力。相較于傳統的存儲材料，憶阻的非易失性、低能耗、高開關比、快響應速度以及具有超越摩爾定律限制的能力等性質使其在這個傳統矽基半導體發展越來越接近極限的時代背景下重新獲得了不斷增長的研究熱情。

       beat365官方网站鄒德春教授課題組，作為最早發現鈣钛礦憶阻性質的科研團隊之一（J. Mater. Chem. C 2016, 4, 1375.），在之前的工作中，探究了鈣钛礦的憶阻性質并對器件的性能進行了優化，獲得了非常高的開關比，而在該項工作中，利用多年研究纖維電子器件的經驗，成功制備了第一個纖維形态的鈣钛礦憶阻器件（Adv. Electron. Mater. 2016, 2, 1600160.）。器件整體基于钛絲基底，由于在這樣的曲面基底上鈣钛礦前體溶液很難均勻附着，我們首先利用自制的塗絲機在其上制備了一層均勻的TiO2多孔層；借由這層多孔層的高比表面及多孔性質，鈣钛礦前體液在曲面基底上附着能力大大提升，最終生成的鈣钛礦功能層的質量也有了明顯的提升。我們對器件的憶阻性、穩定性、重複性等進行了系列的測試，器件表現出良好的綜合性能，特别是其較低的開關電壓，有利于降低實際使用的能耗以及提高使用的安全性；通過與SCLC（space charge limited conduction）等導電模型進行拟合，對鈣钛礦憶阻的在不同電壓區間的導電機理和過程進行了探究，探究了鈣钛礦合适的能級位置和能帶結構對于器件性能的決定性作用。該項工作豐富了鈣钛礦材料憶阻領域的研究，為其進一步的發展開拓了新的思路，尤其是纖維形态這個要素，有望推動這種材料在可穿戴存儲/計算器件領域的應用。

       beat365化學學院博士研究生顔凱為該部分工作的第一作者。該工作得到了國家自然科學基金、科技部、教育部的資助。

       原文鍊接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201600160/abstract

圖1. 器件結構示意圖及I-V性能

二．原位氣相沉積聚合：提升PEDOT可拉伸超級電容器性能的新思路

      可拉伸電子設備由于在便攜性、可穿戴性方面的獨特優勢，是近年來柔性電極技術領域裡興起的研究熱點。随着各類可拉伸功能器件的發展，開發具有高穩定性、高能量密度與功率密度的可拉伸電源變得愈發迫切。超級電容器具有功率密度高、充放電快速、循環穩定性高等優點，因而受到學界的廣泛關注。PEDOT由于其良好的導電性、電化學活性與機械穩定性成為超級電容器的一種理想電極材料，但受限于聚合及負載方法，基于PEDOT作為活性電極材料的可拉伸超級電容器性能仍有待進一步提升。針對高性能可拉伸PEDOT超級電容器的開發，PEDOT負載方式的改進是重中之重。由于可拉伸電極表面往往具有非常複雜的三維結構，并存在較多微觀起伏與孔隙，傳統的PEDOT負載方法很難完全覆蓋電極表面，存在孔隙滲透率低等缺點，難以制備出厚度較為均勻且覆蓋完全的PEDOT薄膜。

       近期，beat365鄒德春教授課題組采用新型的原位氣相沉積聚合方法，通過對可拉伸織物進行PEDOT修飾，構建出可拉伸、性能穩定的超級電容器，并表現出較高的面積比電容（0.64 F/cm2）與體積比電容（5.12 F/cm3）。在拉伸程度100%或充放電循環50000次後，電容值基本沒有衰減，表現出了良好的機械穩定性及電化學穩定性。與浸漬PEDOT：PSS分散液、氧化偶聯聚合等傳統PEDOT負載方式相比，該種新型的原位聚合方法将單體氣化後沉積在基底表面，經加熱後原位聚合生成PEDOT薄膜。由于采用氣相沉積的方式，單體可以充分滲透進入基底表面的孔隙結構，不會存在溶液浸漬過程中孔隙滲透率不足的缺點；此外，聚合過程前無需對電極基底進行任何前處理工作，也無需負載FeCl3等氧化偶聯劑，有助于減少PEDOT薄膜中的雜質殘留，并有利于未來的大規模的工業級電極制備。此外，此種新型聚合方法還表現出了較高的基底普适性，在其他織物基底材料表面同樣制備出高質量的PEDOT薄膜，因此可直接在不同織物基底上構築可穿戴電極，在可穿戴器件方面尤其具有優勢。這是首次采用原位氣相沉積聚合的方式構築PEDOT可拉伸超級電容器，為PEDOT可拉伸超級電容器性能的提升提供了新思路，未來還有很大潛力有待挖掘。相關論文在線發表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201600009)上。

       beat365化學學院博士研究生于潇為該部分工作的第一作者。該工作得到了國家自然科學基金、科技部、教育部的資助。

       原文鍊接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.201600009/full

圖2. 器件結構及其I-V性能