面向摩擦纳米发电机应用的表面电荷微纳结构制备机理及其调控研究

As an emerging technology in environmental energy harvesting, tribo-electric nano-generators (TENGs) have a wide perspective of applications in many important areas as internet of things, environmental monitoring and biomedicine etc. The formation and manipulation of surface charges is a critical fundamental issue for TENGs development. This program would develop a new principle to generate tribo-induced micro- & nano- structures of charges on the surface of dielectric materials, based on the micro-scale local modification caused distribution of tribo-electrification ability. The main research contents include: (1) the formation mechanism and preparation method of tribo-induced micro- & nano- structures of charges on the surface; (2) the influence of micro- & nano- structures of charges on the charge accommodation ability of the surface; (3) the evolution law and manipulation method of micro- & nano- structures of charges under certain conditions; (4) new design of TENGs and related devices based on the micro- & nano- structures of charges. This study would provide a new technical path for the development and performance enhancement of TENGs, and it would also deepen the understanding of basic scientific issues such as the mechanism of tribo-electrification and the behavior of surface charges.

摩擦纳米发电机作为一种新兴的环境能量采集技术，在物联网、环境监测、生物医学等诸多重要领域有着广泛的应用前景。表面电荷的生成及调控是摩擦纳米发电机研究中的重要基础问题。本项目提出基于介电材料表面的微尺度局域改性，在表面形成特定的摩擦起电特性分布，通过对偶表面摩擦接触诱导，生成可复现的表面电荷微纳结构。主要研究内容包括：（1）摩擦（接触）诱导表面电荷微纳结构的生成机理及制备方法；（2）电荷微纳结构对于表面容纳电荷能力的影响；（3）表面电荷微纳结构在特定外界环境条件下的的演化规律及调控方法；（4）基于电荷微纳结构的新原理摩擦纳米发电机及相关器件设计。该研究将为摩擦纳米发电机的发展及性能提升提供一条新的技术路径，也将有助于加深对摩擦起电机理及表面电荷行为等基础科学问题的理解。

摩擦纳米发电机作为一种新兴的环境能量采集技术，在物联网、环境监测、生物医学等诸多重要领域有着广泛的应用前景。表面电荷的生成及调控是摩擦纳米发电机研究中的重要基础问题。本项目围绕介电材料表面的电荷微结构开展研究，主要研究内容包括：摩擦（接触）诱导表面电荷微结构的制备，电荷微结构的演化规律及调控方法，相关高性能摩擦纳米发电机及器件设计。通过实验和理论研究，项目取得了重要进展：在表面电荷微结构制备方面，实现了原子层沉积、原子力探针摩擦等多种方法诱导表面电荷微结构。在电荷微结构的演化规律和调控方面，主要系统地研究了电荷微结构在热激发和光激发状态下的耗散规律，并从热电子发射和光电发射的角度进行了理论解释，为理解摩擦起电过程中电荷转移的本质提供了有力证据。在高性能器件方面，研究了基于表面电荷微结构的摩擦场效应晶体管，首次实现了微纳尺度下的摩擦起电对于晶体管特性的调控。系统地研究了电荷微结构的增强、演化、形态对于晶体管特性调控的影响，并通过电压控制实现了可擦写效应。研究了基于仿生结构的高性能自驱动电子皮肤，高性能球形摩擦纳米发电机阵列、串列旋转栅格结构器件。提出了电荷自泵浦结构、电荷补偿机制等新原理。项目成果有望在海洋能发电、摩擦电子器件及仿生电子皮肤等方面取得广泛的应用。