蘇黎世聯邦理工學院《Nature Commun》：通過可調諧鈍化腐蝕的纖維內邏輯和內存

第一作者：Yuanlong Li，Weifeng Yang

通訊作者：Carlo Menon，Weifeng Yang

通訊單位：蘇黎世聯邦理工學院

DOI: 10.1038/s41467-026-71249-7

背景介紹

隨著可穿戴技術發展速度的加快，電子紡織數字系統（electronic-textile digital systems）已成為當前研究的前沿技術。計算和數據存儲等電子功能如今可以直接嵌入紡織品中，使得數據在可穿戴服飾設備上即可實現高效收集、處理和存儲。這允許設備用戶與周圍環境進行沉浸式交互，而無需將處理和存儲功能外包到設備之外。

然而，目前大多數用于紡織計算的電子系統通常基于馮·諾依曼（von Neumann）電子架構，因此強烈依賴于本質上剛性的硅基集成電路。雖然這些硅基電路極為強大且技術成熟，但它們在與日常服裝中使用的柔性材料界面時通常存在很大的機械不匹配（剛性：107–109 N·m?1；曲率半徑：10?6–10?3 m，而服裝材料剛性僅為103–105 N·m?1，曲率半徑約10?3–10?2 m）。這一事實對設備與服裝的無縫集成、穿著舒適性及日常使用（如洗滌）帶來了挑戰。傳統基于馮·諾依曼架構的紡織計算和數據存儲幾乎不可能將技術實體完全隱藏在服裝中，從而阻礙了日常服飾中的隱蔽、低干擾計算。要實現真正的“紡織計算”，必須從底層架構入手，開發與紡織基底機械特性和形態相匹配的柔性計算與存儲器件。

為追求真正的“紡織計算”，嘗試將基礎計算和存儲功能嵌入單根纖維或紗線中。纖維本身應承擔邏輯信號處理和數字存儲功能，從而成為未來具備計算能力的電子紡織的構建模塊。目前，實現此類功能的智能纖維通常通過在單根纖維或紗線上組合半導體材料形成異質結構界面。這種結構和電子排列決定了界面處載流子的性質（電子或離子）。異質結本身的電子特性決定了設備操作的一些關鍵技術參數（如操作電壓和極化速度），以供單纖維紡織計算使用。一些常用結構各有優缺點：

電子/空穴異質結路線具有優異的載流子遷移率和開關比，這是快速可靠邏輯操作的關鍵屬性。然而，這些界面異質結需要復雜的多步制造工藝，在高曲率一維纖維表面上難以實現。傳統材料在此工藝中也無法承受紡織品在日常使用中反復拉伸和折疊的應力。

陰/陽離子異質結通常基于聚電解質體系，可通過簡單的涂覆或紡絲方法實現，并具有優異的機械柔韌性和彈性。但這些體系的電荷傳輸在環境參數（如濕度和應力）變化時不可靠，穩定工作通常僅限于低電壓（一般 <1 V）。

最關鍵的是，這兩種方法都不支持制造后重新配置。一旦生產，這些纖維就固定了其邏輯和存儲角色，無法像可編程微控制器那樣切換功能或調整操作參數以滿足不斷變化的計算需求。

本文亮點

1. 利用金屬/電解質界面鈍化-腐蝕效應，開發可調節的纖維內邏輯和存儲電子器件（FLAME），無需設計復雜異質結界面。

2. 器件結構由本質可拉伸的外殼包裹內置螺旋鋁紗線，紗線懸浮于水凝膠電解質中，金屬表面的氧化層可通過預施加電壓現場生成或移除，大大降低一維纖維電子器件的制造難度。

3. 通過調節預施加電壓和脈沖時間參數，FLAME可呈現多種電器件形態，包括二極管和憶阻器，關鍵于可重構紡織電子系統。

4. 二極管性能可在長開關周期（約7000次循環，±3 V）和高電壓范圍（±8 V，但不限于此）下連續運行，優于傳統陰/陽離子異質結器件。

5. 憶阻器性能支持短期可塑性（STP）電脈沖模式，在50 ms脈沖間隔下響應電流變化約0.5 mA。

6. 器件具備優異拉伸性（最高可達50%）并兼容現代紡織工藝。

7. 展示了在拉伸狀態下，FLAME可應用于“AND”“OR”邏輯門、類神經突觸以及紡織憶阻器陣列。

圖文解析

圖1. 纖維內邏輯與存儲的概念與設計

a. 單纖維邏輯與存儲器件的概念示意圖。b. 單根 FLAME（長度 20 cm，直徑 500 μm）順利穿過針孔的數碼照片。c. 在弱酸性條件下預施加電壓一段時間，可使 FLAME 表現為憶阻器或二極管。圖下方箭頭指示在不同時間點占主導的行為。插圖 (i) 到 (iv) 展示了鋁電極表面從部分氧化到完全氧化的化學過程。d. 在弱堿性條件下預施加電壓一段時間，也可使 FLAME 表現為憶阻器或二極管。圖下方箭頭同樣指示在不同時間點占主導的行為。插圖 (i) 到 (iv) 展示了鋁電極表面 Al(OH)? 沉淀的逐漸溶解過程。e. 定性相圖，總結了在不同條件下（pH、電壓及電壓施加時間），FLAME 經處理后呈現的電元件類行為。f. 使用商用織機進行 FLAME 集成試驗。比例尺：0.5 cm。

圖2. 鈍化-腐蝕誘導的纖維內邏輯與存儲功能切換機制

a. 在酸性條件下，鈍化誘導的憶阻器類器件的 I–V 曲線。b. 在酸性條件下，鈍化誘導的二極管類器件的 I–V 曲線。c. 鈍化屏障能量示意圖，展示其在界面法拉第反應過程中阻礙載流子傳輸的機制。d. 鋁電極表面鈍化過程的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，顯示鋁氧化層的逐步形成。e. 在堿性條件下，腐蝕誘導的憶阻器類器件的 I–V 曲線。f. 在堿性條件下，腐蝕誘導的二極管類器件的 I–V 曲線。g. 腐蝕層能量示意圖，展示其在界面法拉第反應過程中促進載流子傳輸的機制。h. 鋁電極表面腐蝕過程中形成的氫氧化鋁層的 SEM 圖像，以及通過施加反向電壓去除 Al(OH)? 的過程。i. 鋁電極表面 Al 2p X 射線光電子能譜（XPS），記錄在不同器件狀態下的變化：(a) 原始鋁表面，(b) 酸性條件預處理后，(c) 堿性條件預處理后，(d) 在堿性條件下施加反向電壓后。

圖3. 基于纖維的二極管用于整流與邏輯門

a. 基于纖維的邏輯器件示意圖。b. 在酸性環境下支撐邏輯器件操作的（電）化學過程示意圖。c. 在堿性環境下支撐邏輯器件操作的（電）化學過程示意圖。d. 纖維邏輯器件在機械拉伸應力下的照片。紅色陰離子：弱堿性電解液中的羥基。黃色陰離子：鋁電極表面水電解產生的羥基離子。e. 器件在酸性和堿性條件下對不同幅值方波施加電壓的整流效果。f. 長時間整流測試結果，顯示新制器件在分鐘、小時和全天時間尺度下的性能。g. 基于纖維邏輯器件及其他柔性電路元件構建的 OR 門示意圖。h. 基于纖維邏輯器件及其他柔性電路元件構建的 AND 門示意圖。i. 基于纖維邏輯器件構建的 OR 門的照片，包括初始狀態及拉伸至 50% 應變狀態。j. 紡織 OR 邏輯門的電輸出隨輸入變化的曲線。k. 基于纖維邏輯器件構建的 AND 門的照片，包括初始狀態及拉伸至 50% 應變狀態。l. AND 邏輯門的電輸出隨輸入變化的曲線。

圖4. 基于紡織的憶阻器器件

a. 神經信號傳導的示意圖。b. 在堿性環境下，纖維憶阻器操作的示意圖。紅色陰離子：弱堿性電解液中的羥基離子。黃色陰離子：鋁電極表面水電解產生的羥基離子。c. 在恒定極性電壓脈沖下電流響應的演變。連續正（負）脈沖導致導電率增加（降低）。d. 模擬纖維憶阻器短期可塑性（STP）的實驗。上方圖顯示輸入電壓脈沖波形，下方圖顯示電流響應。e. 對纖維憶阻器導電率的長期增強與抑制效應。每次激勵后都跟隨一個讀出脈沖。f. 單個憶阻器纖維驅動和讀出電路的工作原理示意圖。g. 2×2 憶阻器陣列的循環寫入/擦除結果，僅節點 A1 被寫入/擦除，整個陣列進行讀出。h. 嵌入棉織物中的 6×6 憶阻器陣列的數碼照片。i. 全紡織憶阻器陣列器件的示意圖。j. 對 6×6 憶阻器陣列進行寫入/擦除脈沖測試，以生成存儲數據圖案的結果。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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