西安交通大學Nano Energy：可彎曲、可滑移的魚鱗狀微結構提高摩擦起電效應

u2175908346 6年前 (2017-09-17) 4510瀏覽

【引言】

為了滿足移動電子器件和物聯網技術對能量供給日益增長的需求，基于摩擦發電效應的自驅動傳感器和納米發電機（TENG）應運而生，為增強摩擦發電效應的信號，摩擦層表面通常需要制備各種各樣的微納米結構。目前，摩擦層表面的金字塔狀、柱狀以及納米線狀的微結構都是垂直于基底的直立結構，這樣的結構產生的界面接觸僅發生在微結構的端部表面，遠小于微觀結構的總面積，限制了摩擦起電效應的發生。因此，為了避免上述問題，研究人員構建了一種魚鱗狀微結構，來提高摩擦起電效應。

【成果簡介】

近日，西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室邵金友教授（通訊作者）、李祥明博士（第一作者）研究團隊為提高TENG的摩擦起電效應，構建了可彎曲、可滑移的魚鱗狀微結構，該結構使發電機的摩擦接觸面積超過以往垂直狀微結構的極限，納米發電機的開路電壓可達470V，短路電流密度達45μA/cm2，超出相同條件垂直結構器件的2倍。同時，該發電機機可以作為自驅動壓力傳感器，由于其獨特的傾斜結構設計，它的探測下限為10mPa，靈敏度達1.03mV/Pa。該研究成果以“Improved Triboelectrification Effect by Bendable and Slidable Fish-scale-like Microstructures”為題發表在Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1. 魚鱗狀微觀結構的構建方法與形貌表征

  1. 魚鱗狀微觀結構的制備方法；
  2. 45°方向魚鱗狀微結構掃描電鏡圖；
  3. 90°方向魚鱗狀微結構掃描電鏡圖。

圖2. 魚鱗狀微觀結構變形的數值計算和實驗結果

  1. 施加相同的壓力，不同傾斜角度下，發生形變的魚鱗狀微結構FEM數據；
  2. 施加相應的壓力，PDMS復制后，具有魚鱗狀微結構的掃描電鏡圖，比例尺5μm；
  3. 金(Au)電極（c-i）和PDMS (c-ii)表面的納米粗糙形貌，圖上實線表示虛線位置剖面的粗糙度形貌。不同接觸面，粗糙形貌之間：沒有微滑移（c-iii）和有微滑移（c-iv）。

圖3. 魚鱗狀微觀結構TENG的工作機理和電學性能

  1. 魚鱗狀微結構TENG的工作機理；
  2. 魚鱗狀微結構和垂直微結構的TENG開路電壓的對比；
  3. 魚鱗狀微結構和垂直微結構的TENG短路電流的對比。

圖4. TENGs作為電源的性能

  1. 魚鱗狀微結構TENG的電學輸出和機械壓力之間的關系；
  2. 魚鱗狀微結構TENG的電學輸出和負載電阻之間的關系；
  3. 魚鱗狀微結構TENG的功率密度和負載電阻之間的關系；
  4. 開路電壓和周期數之間的關系；
  5. 拍打魚鱗狀微結構TENG點亮LED燈照片；
  6. 以魚鱗狀微結構TENG作為電源，電鍍出銀（Ag）微觀圖案的電鏡圖，插圖是電鍍銀的高分辨率圖（比例尺100nm）。

圖5. TENG作為自驅動壓力傳感器

  1. ? 自驅動壓力傳感器探測機械壓力。當施加和卸去壓力時，兩電極之間的不同距離，(a-i)距離H, (a-ii)距離h；
  2. ? 不同微結構自驅動壓力傳感器對機械壓力的響應，包括線性響應和非線性響應；
  3. ? 垂直微觀結構自驅動壓力傳感器對機械壓力的線性響應；
  4. ? 魚鱗狀微結構自驅動壓力傳感器對機械壓力的線性響應。

圖6. 魚鱗狀微觀結構自驅動壓力傳感器的應用

  1. 從5cm高距離落下約8mg的水滴激發TENG，產生的電壓輸出，插圖為激發發電機的實物圖；
  2. TENG放在手腕上，脈搏振動產生的電流輸出，插圖為激發發電機的實物圖；
  3. 揚聲器的聲波激發TENG，產生的電壓輸出，插圖為激發發電機的實物圖；
  4. 吹灰器引起的風壓激發TENG，產生的電壓輸出，插圖為激發發電機的實物圖；
  5. 人的呼吸激發TENG，產生的電壓輸出，插圖為激發發電機的實物圖；
  6. ?彈力球撞擊地板，引起的機械振動激發TENG，產生的電壓輸出，插圖為激發發電機的實物圖。

【小結】

研究人員構建了一種可彎、可滑移的魚鱗狀微結構，增加了摩擦界面面積，進而提高了TENG的摩擦起電效應，使發電機輸出性能遠高于垂直于基底的微結構TENG。就其應用而言，可以作為能源系統，點亮80個串聯的LED，給微細加工系統的脈沖電沉積供能。同時，因其獨特的微結構設計，納米摩擦發電機還可作為高性能自驅動壓力傳感器使用。

文獻鏈接：Improved Triboelectrification Effect by Bendable and Slidable Fish-scale-like Microstructures(Nano Energy,2017,DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.09.013)

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