研究背景：

在存储系统中，内存作为控制器和硬盘之间的桥梁，提供更快的处理能力。然而，在存储系统突然掉电的情况下，如何保护内存中的数据不丢失是存储系统中棘手的问题。与易失性存储器相比，非易失性存储器在意外断电的情况下仍然具有记忆效应，数据信息不会丢失。2008年，研究人员制作了第一个纳米忆阻器，掀起了忆阻器研究的热潮。随着理论研究的深入和制备技术的快速发展，电子器件的集成化、小型化、高效化和柔性化，这无疑给忆阻器的综合性能带来了更大的挑战。与传统无机半导体忆阻器相比，聚合物基忆阻器在机械柔韧性和结构可调方面具有更大的优势，显示出越来越广阔的应用前景。尽管近年来忆阻器的物理机理和商业化有了很大的进展和突破，但忆阻器必须由外部偏置电压或其他附加的无源电子器件驱动，这不利于存储设备的高度集成化。因此，开发一种同时具有忆阻和电储能性能的机械柔性和电气可靠性高的新型材料体系具有重要意义。

成果简介：

近日，陕西科技大学刘晓旭教授，哈尔滨理工大学李彦鹏博士以及哈尔滨工业大学李垚教授联合报道了一种基于聚酰亚胺(PI)基体的低填充比二维MXene纳米片复合膜，该复合薄膜具有巨幅提升的力学性能，更重要的是，它在单一材料体系中同时表现出电阻记忆特性和能量存储特性。当负载量为0.5 wt%的Ti₃C₂T_x纳米片(TCTNs)时，复合材料的断裂伸长率高达71.64%，比纯PI(14.01%)高出约411%。更重要的是，TCTNs/PI复合材料的储能密度提高了近30%的同时实现了从无到有的忆阻性能。此外，复合材料在电场作用下的耐久性和可靠性均有明显提高。结合有限元分析(FEA)、X射线吸收精细结构(XAFS)光谱和密度泛函理论(DFT)计算，从介观尺度到微观尺度探讨了TCTNs的分布、表面化学状态和能带结构对复合材料性能的增强机制。本研究有望为高集成度、高可靠性的自供电信息存储设备提供一种候选材料。该工作以“Study on Energy and Information Storage Properities of 2D-MXene/Polyimide Composites”为题，发表在复合材料领域知名期刊“Composites Part B：Engineering”(IF:11.322，中科院所有分区皆1区)上。陕西科技大学材料科学与工程学院为论文第一单位。

文章亮点:

1、率先探索在单一材料体系中同时实现能量存储和信息存储。

2、复合材料在低含量的Ti₃C₂T_X纳米片填充下获得了巨幅的力学性能增益。

3、结合FEA模拟和XAFS技术、DFT计算，从介观尺度到微观尺度探讨了Ti₃C₂T_X的分布形态和表面化学态对复合材料性能增益的机制。

图文介绍：

图1为TCTNs纳米片的制备以及表征。制备的TCTNs呈现典型的二维薄层特征，且元素mapping和XPS结果均显示有未完全刻蚀的Al残留。

图1二维TCTNs的制备和表征。(a-b) 制备二维TCTNs的示意图以及原子结构。(c-d) 二维TCTNs的TEM图像和EDS元素映射。(e)二维TCTNs Al 2p的高分辨率XPS光谱。

图2复合膜的微观结构。(a) 0.5 和3 wt% TCTNs/PI复合薄膜的截面SEM图像和SAXS二维散射模式。(b-c) 1 和3 wt% TCTNs/PI复合薄膜的截面TEM图像。插图显示PI矩阵中TCTNs的取向分布统计。(d-e)选区的高分辨率TEM图像和EDS映射。比例尺:20 nm。(f-g) PI和TCTNs/PI复合膜的XRD图谱和FTIR光谱。(h)基于SAXS理论的PI和TCTNs/PI复合膜的Porod曲线。

图3为复合薄膜的介电性能以及TCTNs不同分布状态和不同化学状态下对复合薄膜电场重分布的有限元模拟。低含量TCTNs的填充能显著提升复合薄膜的介电常数，并且维持着高于纯PI的介电强度。有限元模拟结果显示，相比与随机分布，水平取向分布的TCTNs/PI复合薄膜在相同电场下的电势分布更为平缓，电场畸变更小。在水平取向的基础下，表面附着铝氧化合物的TCTNs/PI的电势分布和电场畸变得到了进一步的优化。

结论：

本研究通过填充极低含量(0.5 wt%)的TCTNs，大大提高了TCTNs/PI复合材料的综合性能，包括机械强度、介电可靠性和储能密度，特别是忆阻性能。这种的能量和信息存储性能增强机制可以概括为:在热亚化过程中，TCTNs表面的羟基发生裂解，释放活性O原子，与残余Al形成宽带隙铝氧化合物，在一定程度上缓解了TCTNs与PI基体之间的介电不匹配的问题，进一步提高了TCTNs/PI复合材料的介电可靠性。TEM和XAFS结果进一步证实了PI链嵌入TCTNs层与层之间形成了强相互作用的界面，并产生限于界面区域的局部电导环流，这是储能密度提升和忆阻特性从无到有的来源。最后的DFT计算表明，羟基的释放和铝氧化合物的形成改变了TCTNs的能带结构，实现了介电强度与适当电阻状态之间的平衡。本研究率先探索了在同一材料体系中同时实现能量存储和信息存储，对于推动自供电高强度柔性忆阻器和高集成度柔性电子器件的发展具有重要的参考意义。（附本文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110014）

陕西科技大学刘晓旭团队2022年代表性成果：

[1] X.X. Liu*, Chen DY, Yang C, Li YP*, Feng Y, Li JL, et al.. Compos Part B-Eng. 2022;241. （IF=11.3）

[2]X.X.Liu*, T.Y. Ji, H. Guo, H. Wang, J.Q. Li, H. Liu, Z.X. Shen, Electrochemical Energy Reviews, 5 (2022) 401-433. （IF=32.8）

[3]X.X. Liu*, T. Wang, T. Zhang, Z. Sun, T. Ji, J. Tian, H. Wang, X. Hao, H. Liu, D. Chao, Adv Energy Mater, (2022) 2202388. （IF=29.6）

[4] Li JL,X.X. Liu*, Feng Y*, Yin JH. Prog Polym Sci. 2022;126.（IF=31.2）

[5]X.X.Liu*, Wang T, Ji T*, Wang H, Liu H, Li J, et al. Journal of Materials Chemistry A. 2022;10(14):8031-46.（IF=14.5）

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