Adv. Sci.：摩擦伏特效應研究綜述: 起源、界面、特性、機理及應用

鋼鐵俠 5天前 352瀏覽

1、研究背景：

半導體科學與技術為人類社會的發展帶來了巨大的創新，目前已廣泛應用于集成電路、消費電子、通信系統、光伏發電、照明應用、大功率電源轉換等領域。它已成為經濟發展、科技進步和國防實力的重要標志。在過去的180年歷史中，人們發現了許多基于半導體的重要物理效應，其中包括對半導體與熱、光、電、磁和應力等耦合作用的探索。先后發現了熱電（1834年）、光伏（1839年）、光電導（1873年）、整流（1874年）、霍爾（1879年）和壓阻（1954年）等一系列半導體效應（圖1），為半導體技術的發展奠定了重要基礎。

圖1?半導體效應的歷史

摩擦伏特效應是半導體界面由機械摩擦產生直流電壓和電流的現象，是半導體和摩擦耦合的一種新效應，由中國科學院北京納米能源與系統研究所首次提出（2019年）。研究所張弛團隊通過金屬-半導體界面摩擦的實驗驗證，首次定義了摩擦伏特效應（Advanced Energy Materials 2020, 10, 1903713），研制的氮化鎵基摩擦伏特納米發電機（TVNG）屢次刷新摩擦電輸出的性能記錄（Advanced Materials 2024, 36,?2310098; Advanced Materials 2022, 34, 2200146; Energy & Environmental Science, 2022, 15, 2366-2373），極大推動了這一新方向的發展。

2、文章概述：

為了更為全面的展示現階段摩擦伏特效應的研究進展，張弛團隊對摩擦伏特效應的起源、界面、特點、機理、耦合效應及應用進行了總結和綜述。本文介紹了多種形式的TVNG，涉及金屬-半導體、金屬-絕緣體-半導體、半導體-半導體、液固及柔性界面。與摩擦納米發電機（TENG）相比，TVNG具有直流、高電流密度（mA-A cm?2）和低阻抗（Ω-kΩ）的特點。對于摩擦伏特發電機理的兩種主流觀點，一種是以內建電場為主，另一種是以界面電場為主，進行了詳細的闡述和總結。同時，總結了多物理場效應和摩擦伏特效應的耦合作用，如摩擦熱電、光伏效應等。多樣化的界面和優異的輸出特性使得TVNG適合制造用于微納能源領域的能量收集和自供電傳感器件。本文不僅回顧了摩擦伏特效應的發展，還對機理研究、器件制備和集成應用進行了展望，以及推動可穿戴電子和智能工業零部件的發展前景。該成果以“Tribovoltaic Effect: Origin, Interface, Characteristic, Mechanism & Application”為題發表在Advanced Science期刊上。中國科學院北京納米能源與系統研究所的張之副研究員為論文的第一作者，張弛研究員為論文的通信作者。

3、圖文導讀：

圖2 摩擦伏特效應的發展

圖3 摩擦伏特納米發電機和滑動模式摩擦納米發電機的區別

圖4 摩擦伏特效應未來研究發展的四個方面

4、結論：

綜上所述，本文對摩擦伏特效應的起源、現狀、挑戰和未來發展進行了綜述。自摩擦伏特效應發現以來，它作為一種不同于傳統TENG的超高電流密度、低阻抗和直流特性的技術，引起了國內外學者們的關注。基于摩擦伏特效應的TVNG已發展出多種結構：金屬-半導體、半導體-半導體、金屬-絕緣體-半導體、半導體-絕緣體-半導體、固-液和柔性界面。不同界面的TVNG也具有不同的輸出特性，對不同的工況和界面狀態有相應的響應規律。雖然目前對摩擦伏特效應機理的研究仍處于起步階段，但主流的機理解釋主要以內建電場和界面電場為主的載流子輸運理論，摩擦激發載流子在兩個電場的綜合作用下定向移動，產生直流電。此外，多物理場效應的加入使得摩擦伏特效應更加復雜，摩擦、光、熱的耦合效應不是簡單的疊加效應，可能會帶來更豐富的物理機理和應用潛力。多樣化的界面使TVNG不僅可以作為摩擦電能量收集裝置，還可以作為人體和生物學中的傳感器裝置。盡管目前工作在機理、特點、制造、應用等方面取得了一定進展，但對摩擦伏特發電機理、評價指標、標準化制造等研究仍缺乏系統、全面、深入的研究。隨著新的實驗設計和方法的實施，這些問題有望得到進一步突破和解決。摩擦伏特效應將實現摩擦耗能的高效回收利用，推動物聯網自驅動化的發展，也將為碳中和目標中提高能源使用效率做出重要貢獻。

團隊相關研究成果：

[1] Advanced Energy Materials, 2020, 10, 1903713.

[2] Materials Today Physics, 2021, 16, 100295.

[3] Advanced Materials, 2022, 34, 2200146.

[4] Energy & Environmental Science, 2022, 15, 2366-2373.

[5] ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14, 24020-24027.

[6] Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10, 25230-25237.

[7] Nano Energy, 2023, 106, 108075.

[8] Nano Energy, 2023, 110, 108339.

[9] Advanced Energy Materials, 2023, 13, 2300079.

[10] Advanced Functional Materials, 2023, 2310703.

[11] Advanced Materials, 2023,?36, 2310098.

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202305460

分享到