加拿大阿尔伯塔大学Nano Energy: 基于量子隧穿效应的直流摩擦发电新机制

【引言】

机械能-电能转换技术被认为具有广泛的运用前景，特别在微型化传感器、可穿戴电子器件及便携式设备的自供电方面有着巨大的市场潜力。其中，摩擦纳米发电技术（TENG）取得了令人瞩目的发展。传统的摩擦纳米发电技术基于介电材料之间的摩擦起电（contact electrification），往往能够获得高电压（静电荷积累）。然而由于常用聚合物材料的高阻抗，基于介电质位移电流（dielectric displacement current）原理产生的瞬时电流往往非常微弱。同时，其产生的交流电必须通过整流转换为直流电加以利用。

【成果介绍】

2017年，加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）加拿大首席杰出科学家（Canada Excellent Research Chair），国家“外专千人计划”专家Thomas Thundat 教授课题组博士生Jun Liu（刘骏）在一次偶然的导电原子力显微镜（C-AFM）实验中，发现在金属-二维半导体材料摩擦体系中存在一种特殊的连续直流电生成现象（J. Liu, et al. Nature nanotechnology 13 (2), 112）。近日，刘骏博士等人通过原子层沉积技术（ALD）对界面氧化层厚度的精确调控，发现了直流电流随金属-绝缘体-半导体摩擦体系中绝缘体厚度的指数衰减关系，验证了摩擦直流电的量子隧穿机制。基于这一发现，他们在宏观体系中成功验证了硅基材料的直流发电机雏形，硅材料表面1-2 纳米的氧化薄层提供了一个天然的电子隧穿通道，其连续直流电流密度高达10 A/m²。该项成果以题为“Sustained electron tunneling at unbiased metal-insulator-semiconductor triboelectric contacts”在线发表在Nano Energy。合作单位有阿尔伯塔大学材料系系主任Ken Cadien教授课题组，韩国Sogang大学Jungchul Lee教授课题组，以及上海交通大学“千人计划”专家胡志宇教授课题组。

【图文导读】

图1 摩擦直流电的电流输出特征

(a) 导电原子力显微镜（C-AFM）原理示意图

(b) p型硅样品的摩擦直流电C-AFM输出信号（探针作用力对电流输出影响）

(c) 探针作用力对探针-样品接触面积和形变影响

(d) 有效氧化层厚度对C-AFM电流输出值的影响

(e) 宏观体系测试示意图，演示用探针为万用表探针

(f) 和 (g) 分别为往复摩擦和连续旋转摩擦示意图

(h) 和 (i) 分别为往复摩擦和连续旋转摩擦条件下的短路电流输出信号

(j) Si表面氧化层厚度对输出电流的影响，其指数型衰减趋势与电子的量子隧穿机理一致

图2 摩擦直流电的电压输出特征

(a) 和 (b) 分别为往复摩擦和连续旋转摩擦条件下的开路电压输出信号

(c) 和 (d) 分别为摩擦（非平衡）和静止（平衡）状态下的界面能带图

(e) C-AFM体系中外加偏压对输出电流的影响

(f) Si表面氧化层厚度对开路电压和界面电场的影响

图 3 金属功函数对界面电势差方向的影响

(a)-(c) 分别为铜、金、铝材料探针对摩擦界面电势差方向的影响

图4 硅基摩擦直流电机雏形的性能表征

(a) 单针摩擦系统在不同负载下的电流电压输出

(b) 单针摩擦系统在不同负载下的电流密度和功率密度输出

(c) 单针系统在硅材料上产生的摩擦直流电对电容器进行充电

【小结】

金属-绝缘体-半导体摩擦系统中基于量子隧穿效应直流电效应的发现，为摩擦电的利用打开了新思路，对摩擦界面的基础物理有了更加深入的探索。利用其原理进行规模化探索具有巨大的运用前景。

文章链接：Sustained electron tunneling at unbiased metal-insulator-semiconductor triboelectric contacts (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.03.068)

Thomas Thundat教授简介：

Thomas Thundat教授是加拿大阿尔伯塔大学教授，加拿大杰出首席科学家（Canada Excellent Research Chair），兼任美国纽约州立大学布法罗分校“帝国创新教授”（Professor of Empire Innovation），中国“外专千人”计划专家。直至2010年，他是美国橡树岭国家实验室研究员、纳米科学和器件研究课题组负责人，同时担任田纳西大学研究教授、法国勃艮第大学客座教授、印度理工学院杰出教授、印度班加罗尔理工学院百周年教授。他于1987年在纽约州立大学获得物理学博士，曾发表400余篇学术论文、80余部书籍章节/会议论文和40项专利。 Thundat博士曾获众多奖项，包括美国能源部的青年科学家奖，R&D 100奖，ASME先锋奖，发现杂志奖，FLC奖，科学美国50奖，Jess Beams奖，纳米50奖，Battelle杰出发明人奖，以及许多ORNL奖项（发明，出版和研究与开发）。Thundat博士是美国物理学会、电化学学会、美国科学促进协会、美国机械工程师协会、美国医学和生物工程研究所和国家发明家学院会士。Thundat博士是微机械悬臂梁传感器的奠基人之一，主要研究工作集中在基于微机械传感器的物理、化学和生物传感技术，能量转换、存储和传输的新方法。专长包括物理和界面化学，生物物理学，固液界面，扫描探针显微镜，纳米级现象和量子限制原子效应。

本文由加拿大阿尔伯塔大学Thomas Thundat 教授课题组供稿。

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