随着离子电子学的快速发展，如何在二维纳米通道中引入结构与电荷不对称性、从而构建可集成的平面离子二极管，已成为人工纳米通道研究的重要挑战。传统的电子束刻蚀和光刻工艺成本高、加工步骤复杂，因此开发一种简单、可扩展且高效的平面离子二极管制备方法具有重要意义。

近日，北京航空航天大学大学翟锦教授和王哲副教授团队在期刊《Small methods》上，发表了最新研究成果“Asymmetric MXene–Cellulose Nanofiber Membranes Fabricated via Laser Etching for Planar Iontronic Devices”。研究者提出一种基于激光刻蚀的二维 MXene-Cellulose Nanofiber（CNF）复合膜平面离子二极管制备策略。MXene-CNF 膜本身具有稳定的二维层状结构和高密度负电荷基团，可形成二维纳米流体通道。利用其可裁剪性，并通过几何形状设计（将膜制成三角形）和局域激光刻蚀的方式，构建具有强几何与表面化学不对称性的平面离子二极管。

首先，将 MXene-CNF 杂化膜切割为三角形，并利用紫外皮秒激光对其尖端区域进行选择性刻蚀。激光刻蚀同时引入微结构缺陷（孔洞、裂纹）、层间间距增加、膜厚度膨胀等几何结构变化。

图1：不同激光功率下MXene-CNF复合膜的形貌结构。

此外，激光刻蚀引起了膜表面的化学变化：Ti₃C₂ 相变为 TiO₂、羟基脱除、表面电荷降低、氟元素衰减等。这些变化由 Raman、XPS、XRD、SEM、EDS 等系统表征所证实。刻蚀面与未刻蚀面在化学组成与结构上的差异，构成了显著的通道电荷不对称与结构不对称，是强离子整流的关键。

图2：激光刻蚀后的MXene-CNF复合膜的离子传输性能。

在电场作用下，三角形结构本身已产生固有的离子浓度极化（ICP）。进一步引入激光刻蚀后，尖端区域的离子选择性降低、层间通道扩展，使得反向偏压下的离子耗尽更加严重，从而显著抑制反向离子电流。通过优化膜尺寸（底边长度 L 与高度 H）、刻蚀位置（尖端 > 底部）、刻蚀面积（最佳为膜面积的 1/2）、激光功率（最佳 15%），整流比从原始矩形膜的 1.89，提升到单侧刻蚀三角膜的 25.24，并在进一步改为双侧刻蚀后达到最大 33.2。

图3：不同激光刻蚀参数下MXene-CNF复合膜的离子整流性能。

图4：集成四个MXene-CNF离子二极管构建的离子整流桥。

最后，将四个离子二极管集成构建了平面离子全波桥式整流电路，成功将 ±5 V 的交流信号整流为单极性电流，展示出良好的离子电路集成潜力。总之，本研究开发了一种结构简单、成本低、路径明确、适用于规模化制造的平面二维纳米流体离子二极管制备方法，实现了高达 33.2 的整流比，并成功构建离子整流电路，为未来离子电子学、仿生信息处理、及纳米流体器件的发展提供新思路。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202501618

人物简介：

翟锦：北京航空航天大学化学学院教授、博士生导师。长期从事仿生光电转换纳米材料和器件研究，在仿生光响应纳米通道设计、光电转换系统等前沿领域取得系列创新成果。在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Energy、ACS nano 等国际知名期刊发表论文150余篇，被引超6千余次，H指数41。主持国家自然科学基金重大研究计划、国家重点研发计划等多项项目。获国家自然科学奖二等奖、北京市科学技术奖一等奖。2009年入选教育部新世纪优秀人才支持计划和北航“蓝天学者”特聘教授。现任中国化学会女化学工作者委员会委员、《北京航空航天大学学报》编委等学术职务。

Email：zhaijin@buaa.edu.cn

王哲：北京航空航天大学化学学院副教授、硕士生导师。主要从事微/纳米加工新技术探索及在光电器件加工中的应用研究。主持国家自然科学基金3项。在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等杂志发表论文40余篇，申请中国专利5项；受邀撰写英文书籍章节1章。

Email：wangzhe@buaa.edu.cn