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近年來，摩擦電納米發電機（TENG）顯示了其收集環境中的微弱能量為物聯網中眾多分布式傳感器供電的潛在能力，並引起了研究者們的廣泛的關注。原則上，如何提高TENG器件的輸出電荷密度來增強它的實際應用能力成為了一個極為關鍵的問題。其中，摩擦電材料的改性是提高TENG輸出性能的重要手段，包括表面圖案化、複合材料、離子注入等。然而，通過這些方法所獲得的輸出增益十分有限。因此，進一步開發出一種修飾材料的新技術對提升TENG的輸出性能有着重要意義。

近日，重慶大學胡陳果教授團隊在《Advanced Functional Materials》期刊上發表了題為「Improving and Quantifying Surface Charge Density via Charge Injection Enabled by Air Breakdown」的研究性文章，研究並報道了一種基於空氣擊穿效應的電荷注入技術，實現了TENG材料修飾類的超高輸出電荷密度。激勵電路產生的電荷定向積累的效果為TENG電極之間發生空氣擊穿創造了條件，空氣離子化後又進一步在電場下的牽引下向介電膜表面沉積。最終，經過修飾後的介電膜的輸出電荷密度提升了44倍，達到了880 μC m-2。同時，這個工作也提出了一種基於靜電感應競爭的電荷轉移新機制，指出了表面電荷與輸出電荷的顯著區別，並給出了測量表面電荷的具體方法。

研究內容：

輔助TENG（A-TENG）通過半波激勵電路（CEC）向產生空氣擊穿的TENG（B-TENG）持續地提供電荷補充，B-TENG兩端的電壓逐漸升高，當超過空氣擊穿電壓的值時，從上電極到介質膜的定向空氣擊穿會在此後持續地發生。於是，在介質膜表面成功的實現了電荷注入。


圖1.BCI-TENG的結構與工作原理。

儘管可以利用BCI-TENG向介質膜表面注入大量的電荷，但通過理論分析和計算，發現介電膜表面存在着一個最大的電荷密度保留值，這和介質膜的性能和厚度有關。最終，通過選擇不同的材料和對厚度進行優化，經過電荷注入修飾後的10微米kapton介電膜獲得了880 μC m-2的電荷密度。


圖2.介電膜參數的優化。

經過對電荷注入修飾後的介電膜的正反兩次測試，提出了一種基於靜電感應競爭的電荷轉移新機制，指出了輸出電荷密度與表面電荷密度的顯著區別，其中，表面電荷密度等於正反兩次測試的輸出電荷密度之和。此外，厚度對這種競爭機制的影響也被進一步研究了。


圖3.定量表徵表面電荷密度。

經過修飾後的介電膜的輸出功率提高了100倍。高效率充電容和為商業計算器供電的應用充分證明了該器件的高輸出性能。


圖4.應用展示。

總之，本文利用電荷定向積累策略，開發了一種新穎、簡單、有效的基於空氣擊穿的表面電荷注入技術。通過優化介質膜的相關參數，最終獲得880 μC m-2的輸出電荷密度。此外，本文提出的靜電感應競爭對電荷轉移機制的影響以及相應的表面電荷定量表徵方法，為更好地理解TENG的輸出電荷密度和表面電荷密度提供了依據，這對TENG的改進具有重要意義。

論文信息
Huiyuan Wu, Shaoke Fu, Wencong He, Chuncai Shan, Jian Wang, Yan Du, Shihe Du, Bangxing Li*, and Chenguo Hu*. Improving and Quantifying Surface Charge Density via Charge Injection Enabled by Air Breakdown. Adv. Funct. Mater., 2022, 2203884.

原文連接
https://doi.org/10.1002/adfm.202203884

作者簡介



論文共同第一作者為重慶大學碩士生吳匯源和博士生付紹珂，共同通訊作者為重慶大學胡陳果教授和重慶理工大學李邦興副教授。

相關進展

重慶大學胡陳果教授等Nano-Micro Letters：用於實時手勢交互的磁陣列輔助TENG傳感器重慶大學胡陳果教授/山東大學劉宏教授團隊《Adv. Funct. Mater.》：自激勵摩擦納米發電機中的超快速自極化效應

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