王中林院士&王杰教授Nat Comm: 合理图案化电极结构使直流摩擦纳米发电机实现超高有效电荷密度- 大数跨境

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王中林院士&王杰教授Nat Comm: 合理图案化电极结构使直流摩擦纳米发电机实现超高有效电荷密度

科学材料站

2020-12-08

导读：本文通过合理设计直流摩擦纳米发电机的微观电极结构，制备了具有高有效电荷密度的直流摩擦纳米发电机器件

文章信息

合理图案化电极结构使直流摩擦纳米发电机实现超高有效电荷密度

第一作者：赵志浩，戴叶婧，刘迪

通讯作者：王中林，王杰

单位：中国科学院北京纳米能源与系统研究所，中山大学

研究背景

作为一种新的能量收集器件，如何进一步提升摩擦纳米发电机的输出性能，对于其走向商业应用是非常重要的问题。传统的交流摩擦纳米发电机的有效表面电荷密度主要受限于摩擦起电、空气击穿和介质击穿三方面。

通过接触起电和静电击穿的耦合，王杰研究员和王中林院士团队发明了具有直流输出特性的直流摩擦纳米发电机(Science Advance 2019, 5, eaav6437)，其仅受限于摩擦起电和静电击穿。其中静电击穿可以通过高温下增强的雪崩击穿增强热电子发射来进一步提高。

但是，直流摩擦纳米发电机的电荷密度仍旧受限于摩擦起电，因为相比于交流摩擦纳米发电机而言，其缺少摩擦电荷的累积过程，使直流摩擦纳米发电机的有效电荷密度远低于交流发电机。因此，如何使直流摩擦纳米发电机性能的突破对于其发展至关重要。

文章简介

结合直流摩擦纳米发电机机理和滑动摩擦的高接触起电有效性，通过合理设计直流摩擦纳米发电机的微观电极结构，制备了具有高有效电荷密度的直流摩擦纳米发电机器件，利用优化器件微观结构等可以实现发电机的小型化高输出，为发电机的小型化、高输出提供了一条新的优化道路。

本文要点

要点一：优化直流摩擦纳米发电机性能的新途径及其相应机理

在之前优化器件的摩擦起电和静电击穿的基础上，引入了与电极结构有关的结构因子k，通过调节电极结构、尺寸，进而调节k值，可以使电荷密度进一步提升，使得微结构直流摩擦纳米发电机同时实现了小型化的器件尺寸和高的输出性能，成功将摩擦纳米发电机的有效电荷密度提高到5.4 mC m-2，是现阶段交流摩擦发电机的两倍多，实现了弯道超车。

Fig. 1 Structural design and working mechanism of MDC-TENG (a, b) Structural schematic and (c) SEM image of MDC-TENG (scale bar: 500 μm). (d) Schematic diagram of DC-TENG working mechanism. The schematic diagram of electrons transition process (e) without and (f) with microstructure optimization. (g) Comparison of the charge density of MDC-TENG with different type TENGs.

要点二：大尺度能量收集

微结构设计的直流摩擦纳米发电机克服了传统滑动式交流摩擦纳米发电机由于尺寸增加而引起的输出密度降低，随着器件尺寸和k值增加，微结构设计的直流摩擦纳米发电机的有效电荷密度和电流密度均会得到增强。

Fig. 2 Comparison between sliding AC-TENG and MDC-TENG. (a) Working mechanism of sliding AC-TENG. The (b) output charges, (c) charge density, (d) short current and (e) current density of sliding AC-TENG (friction layer: PTFE) with different electrode length and sliding distances. (f) Working mechanism of sliding MDC-TENG. The (g) output charges, (h) charge density, (i) short circuit current and (j) current density of MDC-TENG (friction layer: PTFE) with different electrode length, sliding distances and different numbers of MDC-TENG units.

要点三：直流纳米发电机的小型化设计

微结构设计的直流摩擦纳米发电机可以实现器件的小型化，同时具有高输出，并且其输出特性与运动参数（如速度，加速度以及滑动距离。）之间具有很好的相关性，通过结合微纳加工技术，使其可以被用于微机电系统中小型电子设备的供能模块或者自驱动传感模块。

要点四：总结与展望

本文为直流摩擦纳米发电机的性能和结构优化指明了一条新的道路，而之后结合微纳加工技术，可以实现结构更精细的器件结构，进而进一步实现性能的突破以及器件的高输出密度，显示其在MEMS中作为能量供给源和自驱动传感器件的应用潜力，并且其独特的结构实现了电荷密度/电流密度随器件尺寸增加而增加，为摩擦纳米发电机用于大尺度能量收集提供了新的范例。

文章链接

Rationally patterned electrode of direct-current triboelectric nanogenerators for ultrahigh effective surface charge density

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20045-y