ACS Nano：掩模反應離子刻蝕制備由化學基團構成柵格結構的滑移式摩擦納米發電機

【引言】

能量儲存和環境污染是人類生存和發展的兩大主題，這促進了研究人員對可持續能源的研究。最近，摩擦納米發電機（TENG）的出現引起了越來越多的關注。TENG通過收集我們身邊易于忽視的機械能，如人行走產生的能量、風能以及海洋中的波浪能，將其轉化為電能給電子器件持續的供能。相比電磁感應發電機，TENG具有轉化效率高、成本低、穩定性好等優點。TENG有面內滑移式、接觸分離式、單電極式和獨立摩擦層式四種基本結構。就滑移式摩擦納米發電機而言，可以發展為帶有柵格結構的滑移式發電機，用作為運動傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等等，是一種非常有前景的結構。但是這種帶有柵格的滑移式發電機，其凹凸結構很容易遭到磨損，進而降低了發電機的服役周期。為解決這一問題，研究人員發明了一種由化學基團構成柵格結構的滑移式摩擦納米發電機（S-TENG-CGG），大大的減少了滑移過程中的磨損。

【成果簡介】

近日，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授和杜祖亮教授，佐治亞理工學院材料科學與工程學院王中林院士（共同通訊作者）研究小組通過掩模反應離子刻蝕（RIE）制備了由化學基團構成柵格結構的滑移式摩擦納米發電機。該發電機0.3m/s的滑移速度下，產生的功率達6.8mW/m2且能持續120000個周期，產生的能量經過整流可以直接供計算器使用。該成果以“A Sliding-Mode Triboelectric Nanogenerator with Chemical Group Grated Structure by Shadow Mask Reactive Ion Etching”為題發表在ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖1. 反應離子刻蝕過程和發電機的工作機理

（a）（Ⅰ-Ⅱ）反應離子刻蝕過程示意圖，（Ⅲ-Ⅳ）由化學基團構成柵格結構的滑移式摩擦納米發電機的制備過程；

（b）反應離子刻蝕過程的截面圖；

（c）由化學基團構成柵格結構的滑移式摩擦納米發電機的工作機理。

圖2. 接觸式發電機的電學性能表征

（a）經過RIE刻蝕后，接觸式摩擦納米發電機的轉移電荷；

（b）未經過RIE刻蝕，接觸式摩擦納米發電機的轉移電荷；

（c）經過RIE刻蝕后，接觸式摩擦納米發電機的開路電壓；

（d）未經過RIE刻蝕，接觸式摩擦納米發電機的開路電壓。

圖3. 不同柵格結構S-TENG-CGG的電學性能測量

（a）不同柵格間隙S-TENG-CGG的轉移電荷；

（b）不同柵格間隙S-TENG-CGG的積累電荷；

（c）不同柵格間隙S-TENG-CGG的開路電壓。

圖4. 不同柵格間隙S-TENG-CGG的電流密度

（a）700mm的柵格間隙下，具有不同速度S-TENG-CGG的電流密度；

（b）500mm的柵格間隙下，具有不同速度S-TENG-CGG的電流密度；

（c）300mm的柵格間隙下，具有不同速度S-TENG-CGG的電流密度。

圖5.不同柵格間隙S-TENG-CGG給電容的充電曲線

（a）700mm的柵格間隙下，S-TENG-CGG給電容充電的電壓曲線；

（b）500mm的柵格間隙下，S-TENG-CGG給電容充電的電壓曲線；

（c）300mm的柵格間隙下，S-TENG-CGG給電容充電的電壓曲線。

圖6. S-TENG-CGG的應用和服役周期

（a）S-TENG-CGG的電流密度、電壓和負載電阻的關系；

（b）S-TENG-CGG的功率密度和負載電阻的關系；

（c）S-TENG-CGG的開始輸出電流密度和8個月后的電流密度；

（d）S-TENG-CGG給計算器供能；

（e）S-TENG-CGG的服役性能測試，插圖（Ⅰ）和（Ⅳ）分別是經120000周期前、后的電鏡圖，（Ⅱ）和（Ⅲ）分別是經RIE處理部分和未經RIE處理部分的電鏡圖。

【小結】

該團隊通過掩模反應離子刻蝕制備了由化學基團構成柵格結構的滑移式摩擦納米發電機。這種發電機由于沒有凹凸結構,大大減少了摩擦阻力和材料的磨損，提高了滑移式摩擦納米發電機的穩定性，同時也延長了發電機的使用壽命。這為提高發電機的服役周期提供了一種可借鑒的方法。

文獻鏈接： Shang W, Gu G Q, Yang F, et al. A Sliding Mode Triboelectric Nanogenerator with Chemical Group Grated Structure by Shadow Mask Reactive Ion Etching[J]. ACS nano, 2017.

本文由材料人編輯部高放編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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