楊誠&王中林 Nature?Communications：你測量到的“壓電”信號有多少來自壓電效應呢？??

一、【研究背景】

接觸帶電 (CE) 作為一種普遍的電子轉移現象，可以在處于不同物理狀態（固體、液體和氣體）的任何材料之間發生。在兩種材料反復接觸和分離過程中，它常與靜電感應耦合產生電信號，這也是摩擦納米發電機TENG的工作原理。此前，有研究證實CE 能以多種運動形式發生在壓電器件PENG中，包括界面剪切摩擦、納米填料滑移、預先存在的靜電荷和接觸摩擦。接觸物體和壓電器件產生的摩擦電信號可能很強，從而使得壓電器件的輸出中含有較大比例的摩擦電成分。然而，以往很多工作忽略了這部分摩擦電信號的貢獻，將壓電器件的輸出視為單一的壓電信號，導致其性能可能被夸大。此前，由于缺乏可靠的方法來區分壓電信號和摩擦電信號的占比，阻礙了我們揭示摩擦電信號的影響和評估壓電效應的真實貢獻，從而導致對壓電性能的評估不正確。更具體地說，由于TENG和PENG具有相同的電輸出，包括電壓、電流和電荷，傳統的電信號分析無法識別它們在混合輸出中的各自部分。因此，開發一種從“壓電”信號中識別和提取壓電分量的方法對于定量評估壓電材料的性能尤為重要。

二、【成果簡介】

近日，清華大學深圳國際研究生院楊誠副教授與中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士合作在Nature?Communications上發表了題為“A Method for Quantitatively Separating the Piezoelectric Component from the as-received "Piezoelectric" Signal”的文章。清華大學深圳國際研究生院碩士生陳超杰為第一作者。

該研究以常見的商用PVDF壓電器件為模型對象，發現混合輸出中的摩擦電信號所占比例較大，對器件壓電性能的評估影響較大。該文創新性地引入器件的受力-時間曲線作為解耦摩擦電信號和壓電信號的手段，可完整地分離出壓電信號和摩擦電信號各自的分量。通過比較力-時間和電信號曲線發現，在器件與物體接觸前后，記錄的電信號屬于摩擦電貢獻，而相互接觸之后得到的電信號則歸因于壓電效應。進一步地，作者成功地從混合信號輸出中定量提取出了壓電電荷轉移并計算出有效壓電系數（d₃₃），該結果與其他方法測量的結果一致。因此，通過引入器件的受力曲線，我們可以清晰地分離混合信號，并且精度僅取決于力信號和電信號的分辨率。這項工作提供了一種在實際測量中闡明真實壓電性能的有效方法，這對于公平且正確地評估壓電材料至關重要。同時，該工作闡明了摩擦電信號和壓電信號的耦合方式，為科學地設計和分析摩擦電-壓電納米發電機提供了理論支撐。

三、【圖文導讀】

要點1：從理論角度分析了摩擦電信號和壓電信號的形成過程

圖1?SE-TENG和PENG同時存在于壓電器件的使用過程，但二者產生的信號在時間上存在差異。

要點2：使用PI代替PVDF，驗證了器件與接觸物體間的摩擦起電過程。

圖2在壓縮測試中驗證 SE-TENG 的存在。

要點3：引入器件的受力曲線，成功區分了單一摩擦電信號和單一壓電信號。摩擦電信號與力信號存在相位差，壓電信號與力信號在時域上保持一致。

圖 3 利用加載力信號區分單一摩擦電信號和單一壓電信號。

要點4：控制壓電信號方向與摩擦電信號方向相反，在混合輸出中觀察到了拐點Ⅱ和Ⅴ，它們分別與力信號的起始點和終點相對應。這說明了Ⅱ是壓電信號的起始點，Ⅴ壓電信號的終點，證明了摩擦電信號和壓電信號在時域上的相互獨立性。

圖4 PVDF基器件在負極化方向上產生的摩擦電-壓電混合輸出。

要點5：使用平衡分析法CBA和直接提取法DE從混合輸出中提取出有效壓電電荷轉移，并計算出有效壓電系數。上述結果與屏蔽法OS得到的結果保持一致，例證了從混合輸出中直接提取壓電分量并進行壓電性能評估的可行性。

圖 5 通過從混合輸出中提取壓電電荷轉移來評估 PVDF 薄膜的壓電性能。

四、【作者簡介】

王中林院士，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長，科思技術研究院（溫州）院長，佐治亞理工學院終身校董事講席教授。王教授是2019年愛因斯坦世界科學獎(Albert Einstein World Award of Science)、2018年埃尼獎 (ENI award – The “Nobel prize”for Energy)、2015年湯森路透引文桂冠獎、2014年美國物理學會James C. McGroddy新材料獎和2011年美國材料學會獎章(MRS Medal)等國際大獎得主。他是中科院外籍院士、歐洲科學院院士、加拿大工程院外籍院士，國際納米能源領域著名刊物 Nano Energy （最新IF：17.88）的創刊主編和現任主編。

王院士是納米能源研究領域的奠基人。他發明了壓電納米發電機和摩擦納米發電機，首次提出自驅動系統和藍色能源的原創大概念，將納米能源定義為“新時代的能源”。王中林院士開創了壓電電子學和壓電光電子學兩大學科，他提出的原創新物理效應引領了第三代半導體納米材料的基礎研究，使氧化鋅納米結構成為與碳納米管和硅納米線同等重要的一類材料研究體系。根據Google Scholar，王中林教授論文引用超29萬次，標志影響力的H指數是261，目前在全球材料科學總引用數和H指數排名世界第一; 世界橫跨所有領域前10萬科學家終身科學影響力排第5名，2019年年度科學影響力排第1名。

楊誠，清華大學深圳國際研究生院博士生導師，廣東省創新團隊核心成員、廣東省本土創新團隊核心成員、深圳市蓋姆石墨烯諾獎實驗室核心成員、“日內瓦國際發明獎”金獎獲得者、“中國發明創新獎”金獎獲得者、“中國產學研合作創新成果獎”銀獎獲得者、科技部某高端專家引進計劃獲得者、廣東省“青年科技獎”獲得者、廣東省“杰出青年科學基金”獲得者、香港科學會“香港青年科學家獎”獲得者、《科學中國人》雜志“年度人物”、清華大學“學術新人獎”獲得者、清華大學“優秀博士學位論文指導老師”、深圳市海外高層次人才、南山區“成長之星”技術創新基金獲得者。在電子以及儲能元器件領域取得多項領導性成果，在Chem. Rev., Adv. Mater.，Nat. Commun.等期刊發表學術論文100多篇，獲得中美專利授權40多項，多項成果已實現產業化。

五、【文章鏈接】

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29087-w

本文由作者供稿。