Adv. Sci.：摩擦伏特效应研究综述: 起源、界面、特性、机理及应用

1、研究背景：

半导体科学与技术为人类社会的发展带来了巨大的创新，目前已广泛应用于集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明应用、大功率电源转换等领域。它已成为经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。在过去的180年历史中，人们发现了许多基于半导体的重要物理效应，其中包括对半导体与热、光、电、磁和应力等耦合作用的探索。先后发现了热电（1834年）、光伏（1839年）、光电导（1873年）、整流（1874年）、霍尔（1879年）和压阻（1954年）等一系列半导体效应（图1），为半导体技术的发展奠定了重要基础。

图1 半导体效应的历史

摩擦伏特效应是半导体界面由机械摩擦产生直流电压和电流的现象，是半导体和摩擦耦合的一种新效应，由中国科学院北京纳米能源与系统研究所首次提出（2019年）。研究所张弛团队通过金属-半导体界面摩擦的实验验证，首次定义了摩擦伏特效应（Advanced Energy Materials 2020, 10, 1903713），研制的氮化镓基摩擦伏特纳米发电机（TVNG）屡次刷新摩擦电输出的性能记录（Advanced Materials 2024, 36, 2310098; Advanced Materials 2022, 34, 2200146; Energy & Environmental Science, 2022, 15, 2366-2373），极大推动了这一新方向的发展。

2、文章概述：

为了更为全面的展示现阶段摩擦伏特效应的研究进展，张弛团队对摩擦伏特效应的起源、界面、特点、机理、耦合效应及应用进行了总结和综述。本文介绍了多种形式的TVNG，涉及金属-半导体、金属-绝缘体-半导体、半导体-半导体、液固及柔性界面。与摩擦纳米发电机（TENG）相比，TVNG具有直流、高电流密度（mA-A cm⁻²）和低阻抗（Ω-kΩ）的特点。对于摩擦伏特发电机理的两种主流观点，一种是以内建电场为主，另一种是以界面电场为主，进行了详细的阐述和总结。同时，总结了多物理场效应和摩擦伏特效应的耦合作用，如摩擦热电、光伏效应等。多样化的界面和优异的输出特性使得TVNG适合制造用于微纳能源领域的能量收集和自供电传感器件。本文不仅回顾了摩擦伏特效应的发展，还对机理研究、器件制备和集成应用进行了展望，以及推动可穿戴电子和智能工业零部件的发展前景。该成果以“Tribovoltaic Effect: Origin, Interface, Characteristic, Mechanism & Application”为题发表在Advanced Science期刊上。中国科学院北京纳米能源与系统研究所的张之副研究员为论文的第一作者，张弛研究员为论文的通信作者。

3、图文导读：

图2 摩擦伏特效应的发展

图3 摩擦伏特纳米发电机和滑动模式摩擦纳米发电机的区别

图4 摩擦伏特效应未来研究发展的四个方面

4、结论：

综上所述，本文对摩擦伏特效应的起源、现状、挑战和未来发展进行了综述。自摩擦伏特效应发现以来，它作为一种不同于传统TENG的超高电流密度、低阻抗和直流特性的技术，引起了国内外学者们的关注。基于摩擦伏特效应的TVNG已发展出多种结构：金属-半导体、半导体-半导体、金属-绝缘体-半导体、半导体-绝缘体-半导体、固-液和柔性界面。不同界面的TVNG也具有不同的输出特性，对不同的工况和界面状态有相应的响应规律。虽然目前对摩擦伏特效应机理的研究仍处于起步阶段，但主流的机理解释主要以内建电场和界面电场为主的载流子输运理论，摩擦激发载流子在两个电场的综合作用下定向移动，产生直流电。此外，多物理场效应的加入使得摩擦伏特效应更加复杂，摩擦、光、热的耦合效应不是简单的叠加效应，可能会带来更丰富的物理机理和应用潜力。多样化的界面使TVNG不仅可以作为摩擦电能量收集装置，还可以作为人体和生物学中的传感器装置。尽管目前工作在机理、特点、制造、应用等方面取得了一定进展，但对摩擦伏特发电机理、评价指标、标准化制造等研究仍缺乏系统、全面、深入的研究。随着新的实验设计和方法的实施，这些问题有望得到进一步突破和解决。摩擦伏特效应将实现摩擦耗能的高效回收利用，推动物联网自驱动化的发展，也将为碳中和目标中提高能源使用效率做出重要贡献。

团队相关研究成果：

[1] Advanced Energy Materials, 2020, 10, 1903713.

[2] Materials Today Physics, 2021, 16, 100295.

[3] Advanced Materials, 2022, 34, 2200146.

[4] Energy & Environmental Science, 2022, 15, 2366-2373.

[5] ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14, 24020-24027.

[6] Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10, 25230-25237.

[7] Nano Energy, 2023, 106, 108075.

[8] Nano Energy, 2023, 110, 108339.

[9] Advanced Energy Materials, 2023, 13, 2300079.

[10] Advanced Functional Materials, 2023, 2310703.

[11] Advanced Materials, 2023, 36, 2310098.

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202305460