基于摩擦伏特效应的柔性直流电源研究进展

摩擦起电(triboelectrification,TE)是几乎所有材料表面都存在的物理现象,而半导体材料的TE不同于起静电的介电材料。在半导体与半导体或金属的动态接触界面上,机械摩擦导致界面原子间化学键合的不断破坏和重建过程,释放能量量子(也称键合子)来激发半导体界面的非平衡电子-空穴对,被激发的电子-空穴对在p-n结(或肖特基结、半导体异质结)的内建电场的作用下分离,从而在外电路产生直流电,该现象被称为摩擦伏特效应。此过程类似于光伏效应,不同之处在于能量的来源。在摩擦伏特效应中,电子-空穴对是由界面处原子瞬时跃迁释放的能量或界面处形成新键时释放的能量来激发,而光伏效应则是由光能激发。本文综述了基于摩擦伏特效应的直流发电机的研究进展,包括机理研究、材料与器件设计、表面改性增强策略等多个方面,并讨论了摩擦伏特器件在可穿戴设备领域作为柔性直流电源的设计开发、性能优化以及未来潜在应用场景。

摩擦伏特效应

摩擦起电是一个普遍存在的现象,几乎发生在任何材料界面,其中半导体之间的摩擦起电具有独特的性质.当p型半导体在n型半导体表面摩擦时,两个材料界面在机械滑动的作用下发生化学键的断裂以及新化学键的生成,释放能量(简称键合子“bindington”)并激发半导体界面电子-空穴对.摩擦激发的电子-空穴对在p-n结处的内建电场作用下分离并产生直流电,这个过程与光伏效应类似,因此该现象被命名为摩擦伏特效应.摩擦伏特效应与光伏效应唯一的不同是摩擦伏特效应中电子-空穴对是由界面原子瞬时结合成键而释放的能量所激发,而光伏效应是由光所激发.本文回顾了近年来摩擦伏特效应研究的相关进展,总结了基于摩擦伏特效应的摩擦伏特发电机技术及其潜在应用.摩擦伏特效应作为半导体界面接触起电中重要的一环,对其研究不仅有助于深入了解接触起电的机理,还有望推动摩擦纳米发电机、半导体等研究领域的发展.