Adv. Mater.解答一個沒有科學解釋的古老現象：接觸起電效應中的電子轉移物理機制

【引言】

接觸起電（摩擦起電）發現于古希臘時代，是一個古老和有趣的現象。雖然距今已有2600多年歷史，但是有關接觸起電的原理仍存有很多爭論。其中最重要的是，在起電過程中，電荷轉移是通過電子還是離子的轉移來實現以及為什么產生的電荷可以長時間保留于材料表面。金屬與金屬之間或是金屬與半導體之間的接觸起電，通常認為是產生了電子轉移，并可以通過功函或接觸電勢的不同來解釋。而通過引入表面態的概念，電子轉移理論也可以在一定程度上解釋金屬與絕緣體之間的接觸起電。但是，離子轉移也可以用來解釋接觸起電，并且更適用于含有聚合物的起電體系，例如其中的離子或官能團主導了起電現象的產生。迄今為止，仍未有一種令人信服的理論能夠用來揭示接觸起電的主導機制究竟源于電子還是離子轉移。值得注意的是，幾乎所有的與接觸起電有關的研究都集中在產生的電荷總量上，而很少有關于表面靜電量變化的實時探測或與溫度相關的研究，而這很可能是解決上述問題的關鍵。王中林院士基于麥克斯韋位移電流原理提出的摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator，TENG）技術，可以精確的表征表面電荷密度，并可以實現不同溫度下的應用，這就為解決上述接觸起電中的難題提供了一種新思路。

【成果簡介】

近日，在佐治亞理工學院教授、中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士指導下，許程副教授、訾云龍博士、王琦博士生（共同一作）等研究人員報道了一種實時及定量測量接觸起電過程中電荷轉移的新方法，解決了一道困擾人們2600年多年的難題。研究組通過設計的可以工作在高溫下的TENG，實現了表面電荷密度/電荷量的實時與定量測量，從而揭示了接觸起電過程中的電荷特性與根本機制。實驗中設計了不同種類的TENG，并使TENG在運行過程中僅產生極少量的電荷，因此可以忽略其自身所產生電荷的影響。通過引入初始電荷，研究TENG在不同溫度條件下表面電荷隨時間的演化特性，實驗和模擬結果顯示其較好的符合熱電子發射方程，證實了兩種不同固體材料間的接觸起電主要源于電子轉移。此外，該研究還揭示了不同材料的表面有著不同的勢壘高度，正是由于該勢壘的存在，才使得接觸起電產生的電荷能夠貯存于表面而不致逃逸。基于上述的電子發射主導的接觸起電機制，該研究進一步提出了一種普適的電子云-勢阱模型，首次實現了任何兩種傳統材料間接觸起電原理的統一解釋。相關成果以“On the Electron-Transfer Mechanism in the Contact-Electrification Effect”為題發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1. Ti-SiO₂ TENG在不同溫度下的性能

a) 測試平臺示意圖；
b) 三組代表性實驗獲得的常溫和不同溫度下的短路轉移電荷；
c) 不同溫度下的表面剩余電荷百分比，插圖是TENG的工作模型圖；
d) 不同溫度下TENG短路轉移電荷隨時間的變化。

圖2.?Ti-SiO₂ TENG的實驗結果（點）和模擬結果（線）。

a-c) 短路轉移電荷在不同溫度下隨時間的變化；

d) ln (J/A₀/T) 與1/T的關系圖。

圖3. 鈦箔和SiO₂接觸情況對TENG短路轉移電荷的影響

a) 四種不同條件下短路轉移電荷隨時間的變化；

b) 473 K溫度下在測試過程中鈦箔與SiO₂接觸或分離導致的短路轉移電荷隨時間的變化。

圖4. Ti-Al₂O₃ TENG的實驗結果與模擬結果

a) 不同溫度下TENG的殘余電荷百分比，插圖是不同溫度下的短路轉移電荷；
b) 不同溫度下短路轉移電荷隨時間的變化；
c-e) 不同溫度下短路轉移電荷隨時間變化的實驗結果（點）和模擬結果（線）；
f) ln (J/A₀/T) 與1/T的關系圖。

圖5 改進的用來解釋接觸起電前后金屬與電介質（半導體）間電荷轉移的表面態模型

a-c) 金屬和電介質在接觸起電前、起電時和起電后的狀態；
d) 放電狀態。Φ，金屬的功函；E_F，費米能級；E_VAC，真空能級；E_C，導帶；E_V，價帶；E_n, 表面態的中間能級；f(E)，費米狄拉克分布函數；W，勢壘；T₁和T₂，溫度。

圖6 用來解釋接觸起電和放電的電子云-勢阱模型

a-c) 兩種不同材料的原子的電子云和勢阱（三維和二維圖）在接觸起電前、起電時和起電后的狀態；d) 在較高溫度下的放電狀態。d，電子云間的距離；E_A和E_B，電子的占據能級；E₁和E₂，電子逃逸所需的勢能；k，玻爾茲曼常數；T，溫度。

【小結】

該研究中，研究團隊提出一種基于TENG的方法實現了電荷的定量與實時測量，揭示了接觸起電的主導機制源為電子轉移而非離子轉移。研究表明，對于不同種類的TENG，高溫下的電荷隨時間的變化均遵循指數衰減規律，符合熱電子發射理論。基于電子發射主導的電荷轉移機制，首次提出了一種能夠闡述任意材料間接觸起電的通用電子云-勢阱模型，該模型可以更好的適用于含有聚合物材料和非晶材料的起電體系。該研究提出的這種新方法，將有利于人們更好地理解困擾了數千年的接觸起電效應。

文獻鏈接：On the Electron-Transfer Mechanism in the Contact-Electrification Effect?(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201706790)

【團隊介紹】

王中林院士：中國科學院外籍院士和歐洲科學院院士，佐治亞理工學院終身校董。佐治亞理工學院終身校董事講席教授，Hightower終身講席教授，工學院杰出講席教授和納米結構表征中心主任。首位中組部 “千人計劃”頂尖千人與團隊入選者，教育部長江學者講座教授。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家和首任所長。王中林院士的開創性工作榮獲了多項國際榮譽：美國顯微鏡學會 1999年巴頓獎章﹐2009年美國陶瓷學會Purdy獎，2011年美國材料學會獎章(MRS Medal), 2012年美國陶瓷學會Edward OrtonMemorial獎,2013 ACS Nano 講座獎，2014年美國物理學會James C. McGroddy新材料獎，2013中華人民共和國國際科學技術合作獎，2014年佐治亞理工學院杰出教授終身成就獎，2014年NANOSMAT獎，2014年材料領域世界技術獎。王院士是美國物理學會fellow, 美國科學發展協會(AAAS) fellow，美國材料學會 fellow，美國顯微學會fellow, 美國陶瓷學會fellow，英國皇家化學學會fellow。2015年9月24日，湯森路透集團（THOMSONREUTERS）發布了2015年度引文桂冠獎（CitationLaureates）獲獎名單（諾貝爾獎風向標）。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家、佐治亞理工學院終身校董事講席教授王中林院士成為物理學領域獲獎人之一，也是該獎項唯一的華人獲獎者。今年8月23日至25日在瑞典斯德哥爾摩舉行的歐洲先進材料大會上，王中林院士又以在先進材料科學和技術領域所做出杰出的貢獻，而榮獲2016年度先進材料獎。

王中林院士是國際公認的納米科技領域領軍人物。在一維氧化物納米結構制備、表征及其在能源技術、電子技術、光電子技術以及生物技術等應用方面均作出了原創性重大貢獻。他發明了納米發電機,并提出了自充電納米結構系統,為微納電子系統的發展開辟了新途徑。他開創了納米結構壓電電子學和壓電光電子學研究的先河，對納米機器人、人-電界面、納米傳感器、醫學診斷及光伏技術的發展具有里程碑意義。已在國際一流刊物上發表超過1400篇期刊論文（其中，《科學》、《自然》、及其子刊40余篇），擁有200項專利，7本專著和20余本編輯書籍和會議文集。他的學術論文已被引用125,000次以上。他論文被引用的H因子(h-index)是174。Nano Energy 的發刊主編和現任主編。

附：王中林院士個人成果網址：http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php

王中林院士研究組主頁：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/

相關論文：

1. Temperature effect on performance of triboelectric nanogenerator, Adv. Eng. Mater. 2017, 19, 1700275.
2. Freestanding flag-type triboelectric nanogenerator for harvesting high-altitude wind energy from arbitrary directions, ACS Nano 2016, 10, 1780.
3. Applicability of triboelectric generator over a wide range of temperature, Nano Energy 2014, 4, 150.

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