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正文

基于量子隧穿效应的直流摩擦发电新机制

导读: 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

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

基于量子隧穿效应的直流摩擦发电新机制

(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

基于量子隧穿效应的直流摩擦发电新机制

(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

基于量子隧穿效应的直流摩擦发电新机制

(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

基于量子隧穿效应的直流摩擦发电新机制

(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。

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