特种功能材料重点实验室

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杜祖亮教授课题组在ACS Nano上发表了化学基团栅格结构的滑移式摩擦纳米发电机的研究成果

信息来源: 发布日期: 2017-09-04作者: 浏览次数:

河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授和杜祖亮教授,佐治亚理工学院材料科学与工程学院王中林院士作为共同通讯的研究小组,通过反应离子刻蚀(RIE)方法制备了由化学基团构成栅格结构的滑移式摩擦纳米发电机。该成果以“A Sliding-Mode Triboelectric Nanogenerator with Chemical Group Grated Structure by Shadow Mask Reactive Ion Etching”为题发表在ACS Nano (SCI一区,IF=13.942)上。

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b02866

 

引言

能量储存和环境污染是人类生存和发展的两大主题,这促进了研究人员对可持续能源的研究。最近,摩擦纳米发电机(TENG)的出现引起了越来越多的关注。TENG通过收集我们身边易于忽视的机械能,如人行走产生的能量、风能以及海洋中的波浪能,将其转化为电能给电子器件持续的供能。相比电磁感应发电机,TENG具有转化效率高、成本低、稳定性好等优点。TENG有面内滑移式、接触分离式、单电极式和独立摩擦层式四种基本结构。就滑移式摩擦纳米发电机而言,可以发展为带有栅格结构的滑移式发电机,用作运动传感器、速度传感器、加速度传感器等等,是一种非常有前景的结构。但是这种带有栅格的滑移式发电机,其凹凸结构很容易遭到磨损,进而降低了发电机的服役周期。为解决这一问题,研究人员发明了一种由化学基团构成栅格结构的滑移式摩擦纳米发电机(S-TENG-CGG),大大的减少了滑移过程中的磨损。

 

器件制备及工作原理

利用三种不同间隙(300 mm,500 mm,700 mm)的栅格式不锈钢掩膜板覆盖在尼龙薄膜上,进行反应离子束刻蚀,刻蚀时间仅有10秒,在表面上并没有明显的凹凸结构,与传统凹凸结构的栅格式摩擦发电机相比,大大减少了相应的磨损。尼龙薄膜的背面运用磁控溅射金属Cu作为底部电极,与薄膜有很好的接触。制备过程如图1(a)所示。

通常情况下,尼龙摩擦后显正电性,反应离子束刻蚀中的气体含有大量的氟离子和氧离子,薄膜表面尼龙与化学基团发生化学反应,反应过后的表面经摩擦后显负电性。这便形成了摩擦电性正负交替的尼龙表面。反应离子束刻蚀过程如图1(b)所示。摩擦过程如图1(c)所示。

           

1. a)由化学基团构成栅格结构的滑移式摩擦纳米发电机的制备过程;(b)反应离子刻蚀过程的截面图;(c)由化学基团构成栅格结构的滑移式摩擦纳米发电机的工作机理。

为了证明尼龙表面经离子束刻蚀前后的正负电性,研究人员又制作了一组接触分离式摩擦发电机,对经过离子束刻蚀和未经任何处理的器件表面进行了一组测试。在接触分离的过程中发现,经过刻蚀的和未经过刻蚀的尼龙表面的转移电荷和开路电压的正负电性恰好相反。测试结果如图2所示。

 

 

2 .a)经过RIE刻蚀后,接触式摩擦纳米发电机的转移电荷;(b)未经过RIE刻蚀,接触式摩擦纳米发电机的转移电荷;(c)经过RIE刻蚀后,接触式摩擦纳米发电机的开路电压;(d)未经过RIE刻蚀,接触式摩擦纳米发电机的开路电压。

电学性能测试

3.a)不同栅格间隙S-TENG-CGG的转移电荷;(b)不同栅格间隙S-TENG-CGG的积累电荷;(c)不同栅格间隙S-TENG-CGG的开路电压。

4.

a700mm的栅格间隙下,具有不同速度S-TENG-CGG的电流密度;(b500mm的栅格间隙下,具有不同速度S-TENG-CGG的电流密度;(c300mm的栅格间隙下,具有不同速度S-TENG-CGG的电流密度。

           

5.a700mm的栅格间隙下,S-TENG-CGG给电容充电的电压曲线;(b500mm的栅格间隙下,S-TENG-CGG给电容充电的电压曲线;(c300mm的栅格间隙下,S-TENG-CGG给电容充电的电压曲线。

S-TENG-CGG的应用和服役周期

   该摩擦发电机的大小仅为2.5cm╳2.0cm,其产生的能量经整流后可以直接稳定地为普通计算器供能。在0.3m/s的速度下,测试了120000个周期后,没有明显的衰减,具有良好的稳定性。如图6(e)所示,插图中(i)和(iv)是摩擦前后的电镜扫描图,可看出在摩擦前有刻蚀痕迹,经摩擦120000个周期后表面仅有划痕不再有任何刻蚀痕迹。平整的薄膜表面,只依靠化学基团和尼龙表面产生的反应而形成的正负交替的电学性质更为显著。

因该摩擦发电机是经化学反应离子束刻蚀而形成的正负交替电性的结构,那么,该器件经长时间放置后是否仍具有良好的电学性质便成为了研究中重要的问题。研究人员将该器件放置8个月后再次进行测试,测试结果表明,S-TENG-CGG经过长时间的搁置后运作,仍然具有良好的工作性能,其衰减非常小,图6(c)。

6.

aS-TENG-CGG的电流密度、电压和负载电阻的关系;(bS-TENG-CGG的功率密度和负载电阻的关系;(cS-TENG-CGG的开始输出电流密度和8个月后的电流密度;(dS-TENG-CGG给计算器供能;(eS-TENG-CGG的服役性能测试,插图(Ⅰ)和(Ⅳ)分别是经120000周期前、后的电镜图,(Ⅱ)和(Ⅲ)分别是经RIE处理部分和未经RIE处理部分的电镜图。

小结

该团队通过掩模反应离子刻蚀制备了由化学基团构成栅格结构的滑移式摩擦纳米发电机。这种发电机由于没有凹凸结构,大大减少了摩擦阻力和材料的磨损,提高了滑移式摩擦纳米发电机的稳定性,同时也延长了发电机的使用寿命。这为提高发电机的服役周期提供了一种可借鉴的方法。

 

Shang, W. Y.; Gu, G. Q.; Yang, F.; Zhao, L.; Cheng, G.*; Du, Z. L.*; Wang, Z. L.* A Sliding-Mode Triboelectric Nanogenerator with Chemical Group Grated Structure by Shadow Mask Reactive Ion Etching. ACS Nano 2017. DOI: 10.1021/acsnano.7b02866.