一种针筒式离子电流整流器的制作方法

本实用新型属于纳流体领域，涉及一种新型的针筒式离子电流整流器。

背景技术：

纳米流体技术是一种在纳米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，通过纳米制造技术可以很容易制造出纳米级别电极和移动组件，来实现纳米逻辑电路的设计。离子电流整流（ICR）是一种类似二极管整流的现象，它是利用电流电压通过不对称纳米孔来实现整流作用。相对与其他整流方式来说，ICR更适合应用与纳流体逻辑电路中，并且具有高效、易于控制、易于集成等特点而且成本较低、结构简单、整流效果良好。

整流通常是指在相同的驱动力推动下正向和逆向电流的电流幅值大小不同，一般的宏观整流方法是利用二极管的单向导电性组成半波整流、全波整流或桥式整流等整流电路，但在纳米级的尺度下利用二极管搭建整流电路很难实现，同时有些适用与宏观尺度的物理定义在纳米级尺度下会发生变化，此时利用纳米流体技术设计结构简单的整流器就可以解决这一问题。

传统的整流方式通常会出现效率降低、产生谐波影响输出电流的稳定性等缺点。而本实用新型中的离子电流整流器是通过不对称纳米孔通道内的离子积累与消耗来产生整流效果，几乎避免了传统整流可能产生的缺点，并且可以利用与纳米级尺度上的逻辑电路以及微流控芯片的设计。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种结构简单，实用且方便的针筒式离子电流整流器，用于纳米级尺度下的逻辑电路中，提高整流效率，解决现有的技术不足。

本实用新型采用的技术方案是:一种针筒式离子电流整流器，包括第一离子

直通道、不对称纳米孔通道、第二离子直通道；不对称纳米孔通道由第一筒型纳米孔通道和第一针型纳米孔通道相互连接的针筒式结构，第二筒型纳米孔通道和第二针型纳米孔通道相互连接的针筒式结构，第三筒型纳米孔通道和第三针型纳米孔通道相互连接的针筒式结构，三种针筒式结构并列组成；其筒型纳米孔通道上端与第一离子直通道的下端边界连接；其针式纳米孔通道的下端与第二离子直通道的上端边界连接。

所述的针筒式离子电流整流器的特征在于：阴阳离子在电压的作用下可以通过第一或第二离子直通道，进入不对称纳米孔通道；或通过不对称纳米孔通道，进入第一或第二离子直通道中；所述的第一或第二离子直通道为长800nm，宽600nm的矩形，其长宽比为4:3；所述的不对称纳米孔通道为三个并列的针筒式纳米孔通道，其上半部分筒型纳米孔通道为上端孔径120nm，下端长为50nm的梯形结构；其下半部分针型纳米孔通道为上端孔径24nm，下端孔径6nm的梯形结构；所述的不对称纳米孔通道中所有的连接处由半径1nm的圆角平滑连接。

本实用新型的收益在于：相比传统的整流方案结构更加简单，更易于应用在纳流体逻辑电路中。当在第一离子直通道上端边界施加负向电压时，带电离子在电场力的作用下向不对称纳米孔通道中运动，进而使得阴阳离子在通道内产生积累，提高了纳米孔通道内离子电流且增强了纳米孔通道的导电性；反之当施加电压变为正向电压时，阴阳离子在电场力和通道壁上带有的负表面电荷的作用下从不对称纳米孔通道向第一或第二离子直通道中运动，导致纳米孔通道内离子电流降低且削弱了纳米孔通道的导电性。又由于针筒式结构有上、中、下三种不同孔径的纳米孔，从大孔径到小孔径阴离子受到的排斥效果和阳离子受到的吸附效果小于从小孔径到大孔径，从而使得电压发生正负交变时，不对称纳米孔通道内电流大小发生了明显变化。通过上述结果证实这种新型离子电流整流器在整流效果方面有着良好的表现，并且受环境影响小，适合于更广泛的应用空间。

附图说明

图1为针筒式离子电流整流器结构示意图。

图2为针筒式离子电流整流器的不对称纳米孔通道结构图。

图中：a为孔径120nm纳米孔；b为孔径24nm的纳米孔；c为孔径6nm的纳

米孔；d为筒型纳米孔通道的长度，其数值为200nm；e为针型纳米孔通道的长度，其数值为200nm。

图3为外加电压为±0.005到±0.001时针筒式离子电流整流器的整流比。

具体实施方式

本实用新型通过使用有限元仿真软件建立针筒式离子电流整流器的模型，通过数值计算，进一步证实了该离子电流整流器在整流方面的高效性能。

如图1所示，这种针筒式离子电流整流器的结构由第一离子直通道、不对称纳米孔通道、第二离子直通道组成；其中第一离子直通道和第二离子直通道之间通过不对称纳米孔通道相互连接；所述的不对称纳米孔通道由第一筒型纳米孔通道和第一针型纳米孔通道相互连接的针筒型结构，第二筒型纳米孔通道和第二针型纳米孔通道相互连接的针筒型结构以及第三筒型纳米孔通道和第三针型纳米孔通道相互连接的针筒型结构并列组成。

由于氯化钾具有在水中完全电离的性质，而且氯离子和钾离子拥有良好的扩散系数，所以在该离子电流整流器中使用1mol/m³的氯化钾溶液来充当电解质。当在第一离子直通道上端边界添加一个负向电压时，不对称纳米孔通道中的离子受纳米孔通道壁上的负表面电荷和外加电场力所影响，造成离子在不对称纳米孔通道中堆积，提高了纳米孔通道内的离子电流且增强了纳米孔通道的导电性；当外加电压变为正向电压时，阴阳离子由于外部电压产生的电场力与纳米孔通道壁上的负表面电荷产生的作用下向纳米孔通道外运动，造成纳米孔通道内的离子被消耗，从而降低了通道中的离子电流且削弱了纳米孔通道的导电性。

如图2所示，所设计的针筒型结构包括3种孔径的纳米孔，这种结构使流过纳米孔通道的电流更加稳定，同时可以大大提高正负电压下该离子电流整流器的整流比；这种结构比较简单，易于加工；而且每个拐角处都有设计半径为1nm的圆角，这避免了在电场作用时产生尖端放电现象。

如图3所示，当外加电压不断变化时，利用电流表测得不同电压下通过该整流器的电流并计算其整流比；当外加电压达到7×10^-4V时，整流比可达到104；由此可以看出该离子整流器在纳米尺度下拥有较好的整流效果。值得注意的是所设计的针筒式离子电流整流器,利用的是纳米孔自身形成的双电层来产生纳米孔

通道壁上的负表面电荷，这对于整流所需的成本和溶液中电解质的要求都有所降低，其可以运用的领域和运作环境更加广泛，同时通过非对称结构纳米孔通道的巧妙设计,进一步提高了正负电压下的整流比，在降低成本的同时保证了一定的整流效率,这也吻合了微电子等领域的迫切需要，实现了对纳流体逻辑电路中的电流控制。