基于量子隧穿效應(yīng)的直流摩擦發(fā)電新機(jī)制說明

引言

機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換技術(shù)被認(rèn)為具有廣泛的運(yùn)用前景，特別在微型化傳感器、可穿戴電子器件及便攜式設(shè)備的自供電方面有著巨大的市場潛力。其中，摩擦納米發(fā)電技術(shù)（TENG）取得了令人矚目的發(fā)展。傳統(tǒng)的摩擦納米發(fā)電技術(shù)基于介電材料之間的摩擦起電（contact electrification），往往能夠獲得高電壓（靜電荷積累）。然而由于常用聚合物材料的高阻抗，基于介電質(zhì)位移電流（dielectric displacement current）原理產(chǎn)生的瞬時(shí)電流往往非常微弱。同時(shí)，其產(chǎn)生的交流電必須通過整流轉(zhuǎn)換為直流電加以利用。

成果介紹

2017年，加拿大阿爾伯塔大學(xué)（University of Alberta）加拿大首席杰出科學(xué)家（Canada Excellent Research Chair），國家“外專****”專家Thomas Thundat 教授課題組博士生Jun Liu（劉駿）在一次偶然的導(dǎo)電原子力顯微鏡（C-AFM）實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在金屬-二維半導(dǎo)體材料摩擦體系中存在一種特殊的連續(xù)直流電生成現(xiàn)象（J. Liu, et al. Nature nanotechnology 13 (2), 112）。近日，劉駿博士等人通過原子層沉積技術(shù)（ALD）對(duì)界面氧化層厚度的精確調(diào)控，發(fā)現(xiàn)了直流電流隨金屬-絕緣體-半導(dǎo)體摩擦體系中絕緣體厚度的指數(shù)衰減關(guān)系，驗(yàn)證了摩擦直流電的量子隧穿機(jī)制?；谶@一發(fā)現(xiàn)，他們?cè)诤暧^體系中成功驗(yàn)證了硅基材料的直流發(fā)電機(jī)雛形，硅材料表面1-2 納米的氧化薄層提供了一個(gè)天然的電子隧穿通道，其連續(xù)直流電流密度高達(dá)10 A/m2。該項(xiàng)成果以題為“Sustained electron tunneling at unbiased metal-insulator-semiconductor triboelectric contacts”在線發(fā)表在Nano Energy。合作單位有阿爾伯塔大學(xué)材料系系主任Ken Cadien教授課題組，韓國Sogang大學(xué)Jungchul Lee教授課題組，以及上海交通大學(xué)“****”專家胡志宇教授課題組。

圖文導(dǎo)讀

圖1摩擦直流電的電流輸出特征

(a) 導(dǎo)電原子力顯微鏡（C-AFM）原理示意圖

(b) p型硅樣品的摩擦直流電C-AFM輸出信號(hào)（探針作用力對(duì)電流輸出影響）

(c) 探針作用力對(duì)探針-樣品接觸面積和形變影響

(d) 有效氧化層厚度對(duì)C-AFM電流輸出值的影響

(e) 宏觀體系測試示意圖，演示用探針為萬用表探針

(f) 和 (g) 分別為往復(fù)摩擦和連續(xù)旋轉(zhuǎn)摩擦示意圖

(h) 和 (i) 分別為往復(fù)摩擦和連續(xù)旋轉(zhuǎn)摩擦條件下的短路電流輸出信號(hào)

(j) Si表面氧化層厚度對(duì)輸出電流的影響，其指數(shù)型衰減趨勢(shì)與電子的量子隧穿機(jī)理一致

圖2摩擦直流電的電壓輸出特征

(a) 和 (b) 分別為往復(fù)摩擦和連續(xù)旋轉(zhuǎn)摩擦條件下的開路電壓輸出信號(hào)

(c) 和 (d) 分別為摩擦（非平衡）和靜止（平衡）狀態(tài)下的界面能帶圖

(e) C-AFM體系中外加偏壓對(duì)輸出電流的影響

(f) Si表面氧化層厚度對(duì)開路電壓和界面電場的影響

圖3金屬功函數(shù)對(duì)界面電勢(shì)差方向的影響

(a)-(c) 分別為銅、金、鋁材料探針對(duì)摩擦界面電勢(shì)差方向的影響

圖4硅基摩擦直流電機(jī)雛形的性能表征

(a) 單針摩擦系統(tǒng)在不同負(fù)載下的電流電壓輸出

(b) 單針摩擦系統(tǒng)在不同負(fù)載下的電流密度和功率密度輸出

(c) 單針系統(tǒng)在硅材料上產(chǎn)生的摩擦直流電對(duì)電容器進(jìn)行充電

小結(jié)

金屬-絕緣體-半導(dǎo)體摩擦系統(tǒng)中基于量子隧穿效應(yīng)直流電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為摩擦電的利用打開了新思路，對(duì)摩擦界面的基礎(chǔ)物理有了更加深入的探索。利用其原理進(jìn)行規(guī)模化探索具有巨大的運(yùn)用前景。