引言
機械能-電能轉換技術被認為具有廣泛的運用前景,特別在微型化傳感器、可穿戴電子器件及便攜式設備的自供電方面有著巨大的市場潛力。其中,摩擦納米發電技術(TENG)取得了令人矚目的發展。傳統的摩擦納米發電技術基于介電材料之間的摩擦起電(contact electrification),往往能夠獲得高電壓(靜電荷積累)。然而由于常用聚合物材料的高阻抗,基于介電質位移電流(dielectric displacement current)原理產生的瞬時電流往往非常微弱。同時,其產生的交流電必須通過整流轉換為直流電加以利用。
成果介紹
2017年,加拿大阿爾伯塔大學(University of Alberta)加拿大首席杰出科學家(Canada Excellent Research Chair),國家“外專****”專家Thomas Thundat 教授課題組博士生Jun Liu(劉駿)在一次偶然的導電原子力顯微鏡(C-AFM)實驗中,發現在金屬-二維半導體材料摩擦體系中存在一種特殊的連續直流電生成現象(J. Liu, et al. Nature nanotechnology 13 (2), 112)。近日,劉駿博士等人通過原子層沉積技術(ALD)對界面氧化層厚度的精確調控,發現了直流電流隨金屬-絕緣體-半導體摩擦體系中絕緣體厚度的指數衰減關系,驗證了摩擦直流電的量子隧穿機制。基于這一發現,他們在宏觀體系中成功驗證了硅基材料的直流發電機雛形,硅材料表面1-2 納米的氧化薄層提供了一個天然的電子隧穿通道,其連續直流電流密度高達10 A/m2。該項成果以題為“Sustained electron tunneling at unbiased metal-insulator-semiconductor triboelectric contacts”在線發表在Nano Energy。合作單位有阿爾伯塔大學材料系系主任Ken Cadien教授課題組,韓國Sogang大學Jungchul Lee教授課題組,以及上海交通大學“****”專家胡志宇教授課題組。
圖文導讀
圖1摩擦直流電的電流輸出特征
(a) 導電原子力顯微鏡(C-AFM)原理示意圖
(b) p型硅樣品的摩擦直流電C-AFM輸出信號(探針作用力對電流輸出影響)
(c) 探針作用力對探針-樣品接觸面積和形變影響
(d) 有效氧化層厚度對C-AFM電流輸出值的影響
(e) 宏觀體系測試示意圖,演示用探針為萬用表探針
(f) 和 (g) 分別為往復摩擦和連續旋轉摩擦示意圖
(h) 和 (i) 分別為往復摩擦和連續旋轉摩擦條件下的短路電流輸出信號
(j) Si表面氧化層厚度對輸出電流的影響,其指數型衰減趨勢與電子的量子隧穿機理一致
圖2摩擦直流電的電壓輸出特征
(a) 和 (b) 分別為往復摩擦和連續旋轉摩擦條件下的開路電壓輸出信號
(c) 和 (d) 分別為摩擦(非平衡)和靜止(平衡)狀態下的界面能帶圖
(e) C-AFM體系中外加偏壓對輸出電流的影響
(f) Si表面氧化層厚度對開路電壓和界面電場的影響
圖3金屬功函數對界面電勢差方向的影響
(a)-(c) 分別為銅、金、鋁材料探針對摩擦界面電勢差方向的影響
圖4硅基摩擦直流電機雛形的性能表征
(a) 單針摩擦系統在不同負載下的電流電壓輸出
(b) 單針摩擦系統在不同負載下的電流密度和功率密度輸出
(c) 單針系統在硅材料上產生的摩擦直流電對電容器進行充電
小結
金屬-絕緣體-半導體摩擦系統中基于量子隧穿效應直流電效應的發現,為摩擦電的利用打開了新思路,對摩擦界面的基礎物理有了更加深入的探索。利用其原理進行規模化探索具有巨大的運用前景。
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