西安交通大学Nano Energy：可弯曲、可滑移的鱼鳞状微结构提高摩擦起电效应

u2175908346 7年前 (2017-09-17) 4998浏览

【引言】

为了满足移动电子器件和物联网技术对能量供给日益增长的需求，基于摩擦发电效应的自驱动传感器和纳米发电机（TENG）应运而生，为增强摩擦发电效应的信号，摩擦层表面通常需要制备各种各样的微纳米结构。目前，摩擦层表面的金字塔状、柱状以及纳米线状的微结构都是垂直于基底的直立结构，这样的结构产生的界面接触仅发生在微结构的端部表面，远小于微观结构的总面积，限制了摩擦起电效应的发生。因此，为了避免上述问题，研究人员构建了一种鱼鳞状微结构，来提高摩擦起电效应。

【成果简介】

近日，西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室邵金友教授（通讯作者）、李祥明博士（第一作者）研究团队为提高TENG的摩擦起电效应，构建了可弯曲、可滑移的鱼鳞状微结构，该结构使发电机的摩擦接触面积超过以往垂直状微结构的极限，纳米发电机的开路电压可达470V，短路电流密度达45μA/cm2，超出相同条件垂直结构器件的2倍。同时，该发电机机可以作为自驱动压力传感器，由于其独特的倾斜结构设计，它的探测下限为10mPa，灵敏度达1.03mV/Pa。该研究成果以“Improved Triboelectrification Effect by Bendable and Slidable Fish-scale-like Microstructures”为题发表在Nano Energy上。

【图文导读】

图1. 鱼鳞状微观结构的构建方法与形貌表征

  1. 鱼鳞状微观结构的制备方法；
  2. 45°方向鱼鳞状微结构扫描电镜图；
  3. 90°方向鱼鳞状微结构扫描电镜图。

图2. 鱼鳞状微观结构变形的数值计算和实验结果

  1. 施加相同的压力，不同倾斜角度下，发生形变的鱼鳞状微结构FEM数据；
  2. 施加相应的压力，PDMS复制后，具有鱼鳞状微结构的扫描电镜图，比例尺5μm；
  3. 金(Au)电极（c-i）和PDMS (c-ii)表面的纳米粗糙形貌，图上实线表示虚线位置剖面的粗糙度形貌。不同接触面，粗糙形貌之间：没有微滑移（c-iii）和有微滑移（c-iv）。

图3. 鱼鳞状微观结构TENG的工作机理和电学性能

  1. 鱼鳞状微结构TENG的工作机理；
  2. 鱼鳞状微结构和垂直微结构的TENG开路电压的对比；
  3. 鱼鳞状微结构和垂直微结构的TENG短路电流的对比。

图4. TENGs作为电源的性能

  1. 鱼鳞状微结构TENG的电学输出和机械压力之间的关系；
  2. 鱼鳞状微结构TENG的电学输出和负载电阻之间的关系；
  3. 鱼鳞状微结构TENG的功率密度和负载电阻之间的关系；
  4. 开路电压和周期数之间的关系；
  5. 拍打鱼鳞状微结构TENG点亮LED灯照片；
  6. 以鱼鳞状微结构TENG作为电源，电镀出银（Ag）微观图案的电镜图，插图是电镀银的高分辨率图（比例尺100nm）。

图5. TENG作为自驱动压力传感器

  1.   自驱动压力传感器探测机械压力。当施加和卸去压力时，两电极之间的不同距离，(a-i)距离H, (a-ii)距离h；
  2.   不同微结构自驱动压力传感器对机械压力的响应，包括线性响应和非线性响应；
  3.   垂直微观结构自驱动压力传感器对机械压力的线性响应；
  4.   鱼鳞状微结构自驱动压力传感器对机械压力的线性响应。

图6. 鱼鳞状微观结构自驱动压力传感器的应用

  1. 从5cm高距离落下约8mg的水滴激发TENG，产生的电压输出，插图为激发发电机的实物图；
  2. TENG放在手腕上，脉搏振动产生的电流输出，插图为激发发电机的实物图；
  3. 扬声器的声波激发TENG，产生的电压输出，插图为激发发电机的实物图；
  4. 吹灰器引起的风压激发TENG，产生的电压输出，插图为激发发电机的实物图；
  5. 人的呼吸激发TENG，产生的电压输出，插图为激发发电机的实物图；
  6.  弹力球撞击地板，引起的机械振动激发TENG，产生的电压输出，插图为激发发电机的实物图。

【小结】

研究人员构建了一种可弯、可滑移的鱼鳞状微结构，增加了摩擦界面面积，进而提高了TENG的摩擦起电效应，使发电机输出性能远高于垂直于基底的微结构TENG。就其应用而言，可以作为能源系统，点亮80个串联的LED，给微细加工系统的脉冲电沉积供能。同时，因其独特的微结构设计，纳米摩擦发电机还可作为高性能自驱动压力传感器使用。

文献链接：Improved Triboelectrification Effect by Bendable and Slidable Fish-scale-like Microstructures(Nano Energy,2017,DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.09.013)

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