廈門大學蔡端俊教授團隊在柔性透明可穿戴納米發電紙方面取得重要進展

研究背景：

經過漫長的研究歷程，ZnO納米壓電納米發電機（PENG）已經從一個科學的概念轉變為真正可用的器件。ZnO納米陣列的規則高質量生長和介電層作用，一直是決定PENG性能的關鍵因素。原則上，減小PENG中絕緣層的厚度可以增強PENG的輸出性能，但是研究者們非常好奇當絕緣層無限降低至原子厚度極限時，器件會發生怎么樣的變化？

成果掠影：

近日，廈門大學蔡端俊教授、康俊勇教授、陳小紅副教授在Nano Energy期刊發表了題為“Vertically Aligned ZnO Nanoarray Directly Orientated on Cu Paper by h-BN Monolayer for Flexible and Transparent Piezoelectric Nanogenerator”的最新研究成果論文。針對多晶柔性襯底的半導體晶體生長難題，該論文提出以二維h-BN原子層薄膜作為范德華預導向層，利用h-BN的原子級光滑、無懸掛鍵表面，以及六角晶格特性，實現了直接在多晶Cu紙表面誘導高取向一致性的垂直一維ZnO納米柱陣列。闡明h-BN預導向ZnO納米柱陣列的成核、導向和應力釋放機制，為h-BN以及其它二維材料的預導向層應用提供了理論支撐和技術參考。同時，設計了新型h-BN/ZnO納米柱/h-BN三明治結構和肖特基介電式界面，首次實現柔性、透明壓電納米發電機薄膜器件，將介電層厚度推進到了原子單層極限，獲得高發電功率密度（169 mW/cm²），并成功應用在了人體運動機械能（如行走、跑步）收集發電和智能隨身充電器，展示了柔性透明壓電納米發電機在未來可穿戴、自供能電子器件中的巨大潛力。

核心創新點：

蔡端俊課題組針對多晶、非晶襯底上晶體難以生長的共性難題，基于二維h-BN材料范德華弱作用力表面和六方晶格特性，提出范德華預導向層概念，并實現了在柔性多晶Cu紙表面直接誘導生長了超長、取向一致的ZnO納米柱陣列，長度達75?μm、直徑550 nm。提出襯底圈卷技術，獲得超大面積（>?25英寸）單原子層h-BN薄膜生長。設計了h-BN/ZnO納米柱/h-BN三明治結構，研發肖特基介電式的柔性透明壓電納米發電機。從理論上闡明，界面電容與介電層厚度呈指數反比快速增加的物理規律，并在國際上首次將介電層厚度推進到了單原子層極限，獲得電容極值。同時結合Cu納米線網絡的柔性透明電極技術，制備了全透明的柔性納米發電機，符合可穿戴應用需求。該發電機利用了h-BN單原子層的超薄和高勢壘有效抑制了壓電納米發電機中自由載流子的移動，提高了感應輸出電能，界面電容達到了0.1 mF，開路電壓達5?V，短路電流約為18 μA，最大輸出電功率密度高達169 mW/cm²。最后，該納米發電紙器件集成至運動鞋墊，成功地應用到了人體運動機械能（如行走、跑步）收集發電，展現出良好的穩定性，并獲得智能隨身充電器，未來可以人體自身作為智能電子產品的“充電寶”。展示了在未來自供能、可穿戴設備領域的應用潛力和巨大市場。

數據概覽：

圖1?（a）多齒石英叉示意圖，插圖為圈卷在石英叉上的Cu紙，（b）Cu紙上的h-BN的SEM圖，（c）轉移到SiO₂/Si襯底上的h-BN的SEM圖，（d）h-BN的拉曼光譜，（e）h-BN的AFM表征圖，（f）h-BN的TEM圖，（g）h-BN的高倍HRTEM。

圖2?（a）LPCVD裝置示意圖，（b）在h-BN/Cu紙上生長的ZnO納米柱陣列，（c）Cu紙的EBSD圖，在（d）沒有h-BN的Cu紙和（e）有h-BN的Cu紙上生長的ZnO納米柱陣列，（e）ZnO納米柱陣列在有h-BN的Cu紙上的生長過程。

圖3?（a）ZnO納米柱陣列高倍SEM圖，ZnO納米柱陣列的（b）直徑分布和（c）角度分布，ZnO納米柱的（d）TEM圖、（e）HRTEM圖、（f）SAED圖，（g）超長ZnO納米柱陣列的SEM圖，（h）移除ZnO納米柱陣列后的h-BN?SEM圖，（i）ZnO納米柱陣列的拉曼光譜圖。

圖4?（a）透明柔性PENG的制備示意圖，Cu納米線透明電極的（b）柔性、（c）透明性和（d）導電性，（e）退火溫度對Cu納米線透明電極導電性的影響，（f）Cu納米線/PET透明電極的SEM圖，（g）ZnO納米柱陣列上的Cu納米線網絡，（h）Cu納米線和PENG的透過率，柔性透明PENG產生的（i）開路電壓和（j）短路電流。

圖5?（a）h-BN/ZnO納米柱/h-BN柔性PENG的制備流程圖,（d）h-BN作為介電層時PENG的理論電容值，（c-d）旋涂PMMA后的ZnO納米柱/h-BN/Cu紙的SEM圖，（e）PENG的截面SEM圖，h-BN/ZnO納米柱陣列/h-BN結構的PENG產生的開路電壓（f）和短路電流（g），（h-i）PENG用于收集運動機械能的實物圖

圖6?（a-c）三明治結構的PENG的工作原理圖，（d）肖特基結構的PENG的工作原理圖，（e）未來PENG的使用前景構想。

論文信息：

Guozhen Liu, Yan Tang, Abdul Majid Soomro, Peng Shen, Shiqiang Lu, Yehang Cai, Hao Wang, Qianyi Yang, Han Chen, Yingbing Shi, Chun Lin, Feiya Xu, Fuchun Xu, Zhiming Wu, Xiaohong Chen*, Duanjun Cai*, Junyong Kang.?“Vertically Aligned ZnO Nanoarray Directly Orientated on Cu Paper by h-BN Monolayer for Flexible and Transparent Piezoelectric Nanogenerator”,?Nano Energy, 109, 108265 (2023). DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108265

該論文工作以廈門大學作為第一單位完成，劉國振博士為第一作者、博士生唐燕為共同第一作者，蔡端俊教授、陳小紅副教授為論文的通訊作者。該項目獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金、福建省科技計劃等項目的資助。

論文連接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108265

本文由作者供稿