Adv. Mater.解答一个没有科学解释的古老现象：接触起电效应中的电子转移物理机制

【引言】

接触起电（摩擦起电）发现于古希腊时代，是一个古老和有趣的现象。虽然距今已有2600多年历史，但是有关接触起电的原理仍存有很多争论。其中最重要的是，在起电过程中，电荷转移是通过电子还是离子的转移来实现以及为什么产生的电荷可以长时间保留于材料表面。金属与金属之间或是金属与半导体之间的接触起电，通常认为是产生了电子转移，并可以通过功函或接触电势的不同来解释。而通过引入表面态的概念，电子转移理论也可以在一定程度上解释金属与绝缘体之间的接触起电。但是，离子转移也可以用来解释接触起电，并且更适用于含有聚合物的起电体系，例如其中的离子或官能团主导了起电现象的产生。迄今为止，仍未有一种令人信服的理论能够用来揭示接触起电的主导机制究竟源于电子还是离子转移。值得注意的是，几乎所有的与接触起电有关的研究都集中在产生的电荷总量上，而很少有关于表面静电量变化的实时探测或与温度相关的研究，而这很可能是解决上述问题的关键。王中林院士基于麦克斯韦位移电流原理提出的摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator，TENG）技术，可以精确的表征表面电荷密度，并可以实现不同温度下的应用，这就为解决上述接触起电中的难题提供了一种新思路。

【成果简介】

近日，在佐治亚理工学院教授、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士指导下，许程副教授、訾云龙博士、王琦博士生（共同一作）等研究人员报道了一种实时及定量测量接触起电过程中电荷转移的新方法，解决了一道困扰人们2600年多年的难题。研究组通过设计的可以工作在高温下的TENG，实现了表面电荷密度/电荷量的实时与定量测量，从而揭示了接触起电过程中的电荷特性与根本机制。实验中设计了不同种类的TENG，并使TENG在运行过程中仅产生极少量的电荷，因此可以忽略其自身所产生电荷的影响。通过引入初始电荷，研究TENG在不同温度条件下表面电荷随时间的演化特性，实验和模拟结果显示其较好的符合热电子发射方程，证实了两种不同固体材料间的接触起电主要源于电子转移。此外，该研究还揭示了不同材料的表面有着不同的势垒高度，正是由于该势垒的存在，才使得接触起电产生的电荷能够贮存于表面而不致逃逸。基于上述的电子发射主导的接触起电机制，该研究进一步提出了一种普适的电子云-势阱模型，首次实现了任何两种传统材料间接触起电原理的统一解释。相关成果以“On the Electron-Transfer Mechanism in the Contact-Electrification Effect”为题发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1. Ti-SiO₂ TENG在不同温度下的性能

a) 测试平台示意图；
b) 三组代表性实验获得的常温和不同温度下的短路转移电荷；
c) 不同温度下的表面剩余电荷百分比，插图是TENG的工作模型图；
d) 不同温度下TENG短路转移电荷随时间的变化。

图2. Ti-SiO₂ TENG的实验结果（点）和模拟结果（线）。

a-c) 短路转移电荷在不同温度下随时间的变化；

d) ln (J/A₀/T) 与1/T的关系图。

图3. 钛箔和SiO₂接触情况对TENG短路转移电荷的影响

a) 四种不同条件下短路转移电荷随时间的变化；

b) 473 K温度下在测试过程中钛箔与SiO₂接触或分离导致的短路转移电荷随时间的变化。

图4. Ti-Al₂O₃ TENG的实验结果与模拟结果

a) 不同温度下TENG的残余电荷百分比，插图是不同温度下的短路转移电荷；
b) 不同温度下短路转移电荷随时间的变化；
c-e) 不同温度下短路转移电荷随时间变化的实验结果（点）和模拟结果（线）；
f) ln (J/A₀/T) 与1/T的关系图。

图5 改进的用来解释接触起电前后金属与电介质（半导体）间电荷转移的表面态模型

a-c) 金属和电介质在接触起电前、起电时和起电后的状态；
d) 放电状态。Φ，金属的功函；E_F，费米能级；E_VAC，真空能级；E_C，导带；E_V，价带；E_n, 表面态的中间能级；f(E)，费米狄拉克分布函数；W，势垒；T₁和T₂，温度。

图6 用来解释接触起电和放电的电子云-势阱模型

a-c) 两种不同材料的原子的电子云和势阱（三维和二维图）在接触起电前、起电时和起电后的状态；d) 在较高温度下的放电状态。d，电子云间的距离；E_A和E_B，电子的占据能级；E₁和E₂，电子逃逸所需的势能；k，玻尔兹曼常数；T，温度。

【小结】

该研究中，研究团队提出一种基于TENG的方法实现了电荷的定量与实时测量，揭示了接触起电的主导机制源为电子转移而非离子转移。研究表明，对于不同种类的TENG，高温下的电荷随时间的变化均遵循指数衰减规律，符合热电子发射理论。基于电子发射主导的电荷转移机制，首次提出了一种能够阐述任意材料间接触起电的通用电子云-势阱模型，该模型可以更好的适用于含有聚合物材料和非晶材料的起电体系。该研究提出的这种新方法，将有利于人们更好地理解困扰了数千年的接触起电效应。

文献链接：On the Electron-Transfer Mechanism in the Contact-Electrification Effect (Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201706790)

【团队介绍】

王中林院士：中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士，佐治亚理工学院终身校董。佐治亚理工学院终身校董事讲席教授，Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。首位中组部 “千人计划”顶尖千人与团队入选者，教育部长江学者讲座教授。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和首任所长。王中林院士的开创性工作荣获了多项国际荣誉：美国显微镜学会 1999年巴顿奖章﹐2009年美国陶瓷学会Purdy奖，2011年美国材料学会奖章(MRS Medal), 2012年美国陶瓷学会Edward OrtonMemorial奖,2013 ACS Nano 讲座奖，2014年美国物理学会James C. McGroddy新材料奖，2013中华人民共和国国际科学技术合作奖，2014年佐治亚理工学院杰出教授终身成就奖，2014年NANOSMAT奖，2014年材料领域世界技术奖。王院士是美国物理学会fellow, 美国科学发展协会(AAAS) fellow，美国材料学会 fellow，美国显微学会fellow, 美国陶瓷学会fellow，英国皇家化学学会fellow。2015年9月24日，汤森路透集团（THOMSONREUTERS）发布了2015年度引文桂冠奖（CitationLaureates）获奖名单（诺贝尔奖风向标）。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、佐治亚理工学院终身校董事讲席教授王中林院士成为物理学领域获奖人之一，也是该奖项唯一的华人获奖者。今年8月23日至25日在瑞典斯德哥尔摩举行的欧洲先进材料大会上，王中林院士又以在先进材料科学和技术领域所做出杰出的贡献，而荣获2016年度先进材料奖。

王中林院士是国际公认的纳米科技领域领军人物。在一维氧化物纳米结构制备、表征及其在能源技术、电子技术、光电子技术以及生物技术等应用方面均作出了原创性重大贡献。他发明了纳米发电机,并提出了自充电纳米结构系统,为微纳电子系统的发展开辟了新途径。他开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学研究的先河，对纳米机器人、人-电界面、纳米传感器、医学诊断及光伏技术的发展具有里程碑意义。已在国际一流刊物上发表超过1400篇期刊论文（其中，《科学》、《自然》、及其子刊40余篇），拥有200项专利，7本专著和20余本编辑书籍和会议文集。他的学术论文已被引用125,000次以上。他论文被引用的H因子(h-index)是174。Nano Energy 的发刊主编和现任主编。

附：王中林院士个人成果网址：http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php

王中林院士研究组主页：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/

相关论文：

1. Temperature effect on performance of triboelectric nanogenerator, Adv. Eng. Mater. 2017, 19, 1700275.
2. Freestanding flag-type triboelectric nanogenerator for harvesting high-altitude wind energy from arbitrary directions, ACS Nano 2016, 10, 1780.
3. Applicability of triboelectric generator over a wide range of temperature, Nano Energy 2014, 4, 150.

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