摩擦纳米发电机自驱动复合碳基柔性场发射显示系统的研究

Flexible display is the next generation of new-type display technologies, while traditional batteries such as Li-ion batteries are exposed to safety and environmental problems in current portable electronic displays due to the explosion of batteries. The triboelectric nanogenerator (TENG) is a newly boomed technique for energy generation from mechanical contact having the advantages of safety, non-contamination, and flexibility. In this project, to solve the problems of insufficient understanding of triboelectric mechanism in TENG and low performance of flexible field emission displays (FEDs), we study the TENGs, flexible FEDs, and their coupled systems to realize the combination of fashion TENG and traditional FED through modeling on basis of dielectric physics and equivalent circuits, simulating with infinite element analysis, and experimental confirmation. The results of the project obtained from deep study of the two key scientific points, i.e. “triboelectric mechanism in TENG and methods to improve its performance” and “relation between the interface regulation in flexible FED and its performance”, is important to illuminate the transfer mechanism of triboeletric charges in TENG and to improve performance of flexible FEDs, making a strong foundation for application of new energy and development of portable electronics in our homeland.

柔性显示是新型显示技术发展的趋势，而当前用于驱动便携式电子显示设备的传统能源存在着电池起火爆炸等安全环保问题。摩擦纳米发电机（TENG）是一种近年来新兴的发电方式，具有安全、零污染、易柔性化等特点，是对传统能源的一种有益探索和补充。本项目针对当前存在的对TENG中电荷转移机制理解的不足以及柔性场发射器件性能低劣的问题，综合运用电介质物理建模、等效电路模型、有限元数值模拟与实证等手段，围绕TENG、柔性场发射显示器件及其系统匹配等三个方面的内容展开系统研究，最终达成将新兴的TENG技术与传统的薄膜显示器件相结合的目标。项目通过对“TENG中摩擦发电的基本机制及提高性能的方法”与“柔性场发射显示器件中的界面调控与性能间的关系”两个关键问题的深入研究，其结果对阐明TENG中电荷的转移机制与提高柔性场发射显示器件的性能有重要指导意义，为促进我国在新能源的应用及便携式电子设备的发展奠定基础。

柔性显示是新型显示技术发展的趋势，而摩擦纳米发电机（TENG）是一种近年来新兴的发电方式，具有安全、零污染、易柔性化等特点，是对传统能源的一种有益探索和补充。本项目研究将新兴的TENG技术与传统的场发射薄膜显示器件相结合，通过将金属纳米颗粒等材料与碳纳米管复合获得了新的纳米碳基复合透明电极，其薄膜电阻可达约250欧，在可见光区特别是红光区透光率超过70%，在硬衬底上获得的最好场发射器件的开启场强只有0.4伏每微米，场增强因子高达43000，电学稳定性好，并掌握了柔性碳基场发射显示器件的制备工艺及相关参数，该器件的开启电场最优可达约0.5伏每微米，在弯曲半径为5 cm时可以正常工作，并利用TENG技术（输出电压可超过400V）实现了点亮场发射显示器件的目的，顺利实现了所有研究目标。这些研究结果对阐明TENG中电荷的转移机制与提高碳基场发射显示器件的性能有重要指导意义。在完成预期研究目标的同时，本项目还就碳基薄膜/氧化物复合薄膜在无源驱动平板显示技术（场发射显示技术）、离子风产生技术等方面进行了拓展研究，取得了多项较重要的研究结果。这些研究成果体现在：发表了16篇受本基金号资助的高水平学术论文，包括Nano Energy 1篇，IEEE Transactions on TED的论文3篇等，申请了相关发明专利3项（2项已授权），在国际国内学术会议上报告10余次，待发表学术论文数篇，培养研究生12名，包括博士研究生1名，毕业6名（其中3名学生取得上海市优秀毕业生、校优秀毕业生、校优秀硕士论文获得者等荣誉称号）。此外，项目投入直接经费62万元，支出41.4582万元，结余20.5418万元，剩余经费计划用于本项目研究的后续支出。