鲁东大学董君、河北大学马刚团队Nano Energy：通过揭示从界面效应到体效应的摩擦电子学机制，构建高性能直流液滴纳米发电机

一、导读

在物联网时代，探索分布式能源的创新解决方案对于应对能源与环境挑战显得尤为重要。液滴纳米发电机（Droplet-based Nanogenerator, DNG）技术作为能源转型的新锐力量，为高效收集高熵水能提供了可能。基于液滴电荷梭（droplet charge shuttle）机制的全电流纳米发电机，在经典的摩擦纳米发电机（TENG）结构基础上引入了传导电流的设计理念，通过巧妙运用电荷的时空分离与泵浦累积原理，实现了能量的产生、转换及蓄积的一体化过程，进而能够直接输出高压直流电。因此，全电流液滴纳米发电机不仅展现了其在高熵水能采集领域的巨大应用潜力，也为未来能源技术的发展开辟了新的路径。

尽管如此，现有的全电流液滴纳米发电机主要依赖于摩擦层的界面效应来产生电荷，因而产生的电荷密度有限。相比于新型的体效应液滴发电机（DEG），较低的表面电荷密度限制了该器件在单个工作周期内电荷转移能力，进而影响了整体的输出性能。为了突破这一瓶颈，我们团队从MOS管工作原理中获取灵感，对全电流液滴纳米发电机进行了创新结构设计。通过引入背栅电极成功构建体效应，从而极大增强了器件载流子的储运能力。更重要的是，我们利用该器件作为摩擦电探针，首次解答了困扰已久的从界面效应到体效应转变过程中所涉及的摩擦电子学原理，阐明了基于电容耦合增强机制下的载流子动力学过程。

这项工作不仅在器件理论上具有重要意义，而且为高熵水能的高效采集和液体传感监测应用等领域开辟了新的可能，有助于推动液滴纳米发电机技术的实用化进程。

二、成果

近日，鲁东大学董君课题组和河北大学马刚教授课题组等联合研究团队，在中科院一区Top期刊《Nano Energy》上发表题为“From interface effect to bulk effect: Probing the capacitive coupling enhancement mechanism to achieve high performance DC droplet-based nanogenerator”的工作。该项工作受MOS管工作原理启发，成功开发了一种基于体效应的高性能全电流液滴纳米发电机（TC-DNG），实现了从界面效应到体效应的显著转变，从而大幅提升摩擦层电荷密度，显著增强了器件的电荷输出能力。

图1 基于界面效应与体效应原理的全电流纳米发电机性能对比

该研究通过引入背栅电极结构，利用电容耦合效应，使得单个液滴转移电荷高达30 nC，并产生800 V的开路电压，使其无需管理电路便可点亮480盏高亮LED。TC-DNG背栅电极的引入克服了界面效应限制，建立了类似于MOS晶体管的背栅电极调制过程。研究工作中，进一步通过背栅电极图案化设计，系统构建了多个摩擦电探针，揭示了电容耦合效应的增强机制。研究结果表明，局部增加电极或摩擦电层的电容效应对性能提升有限；而通过协同增强摩擦电层与电极之间的电容并实现互联耦合，才能够最大化利用体效应来协调载流子的产生、转换与储存等输运过程，从而显著提升器件输出性能。此外，本研究还证实了背栅电极中导电性成分的引入是实现体效应输出的关键。TC-DNG的背栅电极材料来源广泛，这使其能够轻松适应各种实际应用场景。

这项工作不仅提供了一种简易、高效制造高性能液滴纳米发电机的策略，而且为液体的理化性质监测和摩擦电子学图谱等研究提供了理论基础，有望促进液滴纳米发电机在高熵水能收集与液体传感等领域的创新应用。

三、创新点

1.MOS管启发新架构：成功开发了直流液滴纳米发电机的新型体效应架构，实现了器件的设计创新和性能突破。

2.电学性能增强原理：通过背栅调制策略，实现了电压和电荷的双重增强，显著提升了器件的电学性能。

3.摩擦电子学机制：提出了一种新颖的电容耦合增强机制，阐明了从界面效应转变为体效应过程中的载流子动力学。

4.摩擦电材料扩展：实现了对背栅电极材料的广泛选择，使器件能够适应多样化场景，增强了实际应用的灵活性。

四、数据概览

图2. MOS晶体管启发的全电流纳米发电机（TC-DNG）的结构与性能。

(a) 体效应全电流纳米发电机设计示意图。(b-e) TC-DNG电学输出性能和输出能量密度。

图3.不同背栅电极下TC-DNG输出性能比较。(a)不同背栅电极图案器件示意图。(b)水分子到FEP分子的电子转移机理图。(c-e)不同器件的输出性能对比分析。

图4. 体效应全电流纳米发电机（Bulk-Effect TC-DNG）在稳定工作状态下的工作原理及等效电路图。

图5. 体效应TC-DNG的应用演示。(a-d) TC-DNG驱动LED、为电容充电和驱动计数器等应用展示。(e-h) 不同背栅基底材料下，TC-DNG电荷转移性能比较。

五、文章总结

在这项工作中，我们通过引入MOS管中背栅电极概念，成功构建了一种全新的直流液滴纳米发电机架构。这一架构实现了从传统的界面效应到更高效的体效应的转变，从而能够更加高效地储存和输运电荷载流子。利用该器件作为摩擦电探针，还阐明了从界面效应到体效应转变过程中基于电容耦合增强机制下的载流子动力学过程。基于体效应的液滴全电流纳米发电机展示了卓越的性能，并且其直流输出特性与后端电子器件具有更高的匹配。此外，TC-DNG的底部背栅电极可以根据不同的实际应用场景进行调整，从而满足多样化的能源收集需求。

通讯作者：

董君博士，山东省泰山学者青年专家，鲁东大学集成电路学院硕士生导师，微纳机电器件与智能系统实验室负责人。主要从事物联网时代基于微纳力电转换技术的新概念摩擦电MEMS器件与智能系统研究工作。致力于高熵水能捕集全电流纳米发电机的开发，并在物理机制、器件设计、材料工艺、电路管理以及自驱动片上集成系统技术等方面进行了系列创新研究。目前主持国家自然科学基金和山东省人才项目各1项，并以第一/通讯作者身份在包括Energy & Environmental Science（IF=32.4，高被引）、Nano Energy（3）、ACS AMI、JMCA等高水平期刊上发表了十余篇学术论文，授权发明专利1项，参编中英文专著各1章。首创开发的直流液滴发电成果引起国内外同行的广泛关注、图文引用、新闻报道和合作研究。

马刚教授，河北大学化学与材料科学学院博士生导师，致力于应用振动光谱和原子力显微镜等技术手段研究淀粉样自组装体系的微观结构和成核生长机制，以及液滴纳米发电机的固液界面结构、电荷转移机制和相关应用。在和频振动光谱和红外光谱技术领域具有深厚的专业背景，曾作为第一完成人获2019年度河北省自然科学三等奖一项，其获奖成果为《振动光谱在分子结构研究中的应用》。

文章详情：Li Y, Ma G, Zhu L, et al. From interface effect to bulk effect: Probing the capacitive coupling enhancement mechanism to achieve high performance DC droplet-based nanogenerator[J]. Nano Energy, 2024, 127: 109743.

链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109743

本工作由国家自然科学基金资助完成（52305601和21973024）。