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纳米能源所摩擦起电效应中的电子转移机制研究有新思路

日期:2022年05月31日

       接触起电(摩擦起电)是在古希腊时代发现的。
       尽管它的发现已有2600多年的历史, 但对其原理仍有诸多争论。其中最重要的是电荷转移是否是通过带电过程中电子或离子的转移来实现的, 以及为什么产生的电荷可以长时间保留在材料表面。金属对金属或金属对半导体的接触带电通常被认为会产生电子转移, 可以通过功函数或接触电势的差异来解释。
       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带电。然而, 离子转移也可以用来解释接触带电, 更适用于含有聚合物的带电系统, 其中离子或官能团主导带电现象。几乎所有与接触带电相关的现有研究都集中在产生的电荷总量上, 而关于实时检测表面静电荷变化或温度依赖性研究的研究很少。到目前为止, 还没有令人信服的理论可以揭示接触带电的主要机制是来自电子还是离子转移。中科院外籍院士、中科院北京纳米能源与系统研究所首席科学家王忠林提出的摩擦纳米发电机(TENG)技术, 基于麦克斯韦位移电流原理, 可以表征良好的表面电荷密度, 实现不同温度下的应用。这是为了解决上述接触带电问题提供了一个新思路。近日, 在王忠林的指导下,

徐成副教授获得博士学位。子云龙, 博士学生王琦等人通过设计可在高温下工作的TENG, 实现了表面电荷密度/电荷量的实时定量测量,

从而揭示了接触带电。
       过程中的电荷特性和潜在机制。本研究设计了不同种类的TENG, TENG在工作过程中只产生极少量的电荷, 因此可以忽略自身产生的电荷的影响。通过引入初始电荷, 研究了不同温度条件下TENG表面电荷随时间的演化特征。实验和模拟结果表明, 它与热电子发射方程非常吻合, 证实了两种不同固体材料之间接触带电的主要来源。用于电子转账。
       此外, 研究还揭示了不同材料的表面具有不同的势垒高度。正是由于势垒的存在,

接触带电产生的电荷才能储存在表面而不会逸出。基于上述以电子发射为主的接触带电机理, 本研究进一步提出了一种通用的电子云-势阱模型, 实现了对任意两种常规材料之间的接触带电原理的统一解释。本研究提出的方法有利于更好地认识接触带电效应, 为摩擦纳米发电机在微纳能、蓝能、自驱动传感、人工智能、机器人和物理等方面的发展提供科学依据。根据。相关研究成果发表在Advanced Materials上。

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