中科院納米能源所王中林院士Adv. Mater. : 金屬-電介質的溫度對納米級接觸起電中電子轉移的影響

【引言】

隨著摩擦電納米發電機(TENG)的發明，接觸起電(CE)(或摩擦起電)重新引起了研究人員的興趣，這些發電機使用摩擦電能進行能量轉換。為了獲得更高的輸出性能，需要在TENG的絕緣體表面上產生更多的摩擦電荷。然而，增加TENG中的摩擦電荷的方法是有限的，因為CE的機制仍然模糊。CE中最大的爭議是載流子的成分及其轉移機制。事實上，由于材料的導熱性、表面粗糙度、不對稱摩擦等的不同，兩種相互摩擦的固體的溫度通常是不同的。通過在不同溫度下在兩種固體之間進行CE來確定載流子的特性是非常可靠的方法。

【成果簡介】

近日，中科院納米能源所王中林院士(通訊作者)等使用原子力顯微鏡和開爾文探針力顯微鏡研究了在不同熱條件下的金屬-電介質殼體的CE和摩擦帶電過程，并在Adv. Mater.上發表了題為“Electron Transfer in Nanoscale Contact Electrification: Effect of Temperature in the Metal–Dielectric Case”的研究論文。作者發現納米級的電荷轉移過程遵循改進的熱電子發射模型。特別地，此處關注的是CE上兩種接觸材料之間溫差的影響。結果表明，較熱的固體傾向于接收正摩擦電荷，而較冷的固體傾向于帶負電，表明溫差引起的電荷轉移可歸因于熱電子發射效應，其中電子被熱激發并從較熱的表面轉移到較冷的表面。此外，作者提出了一種熱電子發射能帶結構模型來描述兩種固體在不同溫度下的電子轉移。該發現還表明，CE可以在兩種相同的材料之間發生，是由于存在由具有不同曲率/粗糙度的表面的納米級摩擦引起的局部溫差。

【圖文簡介】
圖1 AFM測試

a) AFM實驗平臺的設置；
b) 峰值力輕敲模式的力曲線；
c,d) 峰值力輕敲前探針形貌的SEM圖像；
e,f) 峰值力輕敲后探針形貌的SEM圖像；
g) 通過AFM測量的SiO₂樣品形貌；
h) XPS檢測點陣列；
i) SiO₂樣品的XPS光譜。

圖2 不同溫度下SiO₂樣品表面的摩擦電荷產生和消散

a) 不同溫度下與Au涂覆探針接觸引起的SiO₂樣品表面電位的變化；
b) 溫度對探針和SiO₂樣品之間轉移的電荷密度的影響；
c) 不同溫度下SiO₂表面電位的衰減；
d) 不同溫度下SiO₂表面上轉移的電荷密度的衰減。

圖3 溫差對鍍金探針與SiO₂樣品之間CE的影響

a) 樣品溫度為313K時，轉移電荷密度隨探針溫度的變化；
b) 樣品溫度為343K時，轉移電荷密度隨探針溫度的變化；
c) 樣品溫度為373K時，轉移電荷密度隨探針溫度的變化；
d) 樣品溫度為403K時，轉移電荷密度隨探針溫度的變化。

圖4 Au涂覆探針和樣品溫差對探針與Al₂O₃、AlN和Si₃N₄樣品之間CE的影響

a,c,e) 當探針和樣品溫度都升高時，Al₂O₃、AlN和Si₃N₄表面上轉移的電荷密度的變化；
b,d,f) 當樣品溫度保持在313K時，Al₂O₃、AlN和Si₃N₄表面上的轉移電荷密度與探針溫度之間的關系。

圖5 溫差誘導電荷轉移的能帶結構模型(E_f> E₀)

a,c,e) 當金屬溫度低于、等于或高于電介質溫度時，金屬的帶結構和電介質的表面狀態；
b,d,f) 當金屬溫度低于、等于或高于電介質溫度時，金屬和電介質之間接觸電荷轉移的示意圖。

圖6 溫差誘導電荷轉移的能帶結構模型(E_f<E₀)

a,c,e) 當金屬溫度等于、高于或遠高于電介質溫度時，金屬的能帶結構和電介質的表面狀態；
b,d,f) 當金屬溫度等于、高于或遠高于電介質溫度時，金屬和電介質之間接觸電荷轉移的示意圖。

圖7 穩定性測試CE中的熱電子發射模型

a) 在不同DC偏壓下，探針溫度對Au涂覆探針和SiO₂樣品之間的電荷轉移的影響；
b,c) 當金屬溫度等于或高于電介質溫度，對金屬施加負偏壓時金屬和電介質的能帶結構；
d,e) 當金屬溫度等于或高于電介質溫度，對金屬施加正偏壓時金屬和電介質的能帶結構。

【小結】

綜上所述，作者使用AFM和KPFM研究了溫度對納米級金屬-電介質CE的影響，發現摩擦電荷衰減遵循納米尺度的熱電阻模型。結果表明，溫差可以影響CE中轉移電荷的大小和極性。較熱的材料傾向于帶正電，而較冷的材料傾向于帶負電。此外，作者提出了一種基于熱電子發射模型的電子轉移機理來解釋溫度對元電介質CE的影響。 此外，該工作給出了相同材料之間CE以及CE中的極性反轉可能的解釋，并提供了通過改變溫差來控制TENG中CE的潛在方法。

文獻鏈接：Electron Transfer in Nanoscale Contact Electrification: Effect of Temperature in the Metal–Dielectric Case (Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201808197)

【團隊介紹】

王中林院士是納米能源研究領域的奠基人，首次發明了納米發電機和自驅動納米系統技術，被譽為“納米發電機之父”。他發明壓電納米發電機和摩擦納米發電機，提出自驅動系統和藍色能源的原創大概念，將納米能源稱為“新時代的能源”。這一應用于物聯網、傳感網絡和大數據時代的新能源技術，開啟了人類能源模式新篇章，為微納電子系統發展和物聯網、傳感網絡實現能源自給和自驅動提供了新途徑。王中林院士是壓電電子學和壓電光電子學兩大學科的奠基人，這兩大學科對納米機器人、人-電界面、納米傳感器、LED技術的發展具有里程碑意義，目前國際學界對這兩大學科已廣泛接受和認可，并于2018年獲得納米能源領域最高獎，有能源“諾貝爾獎”之稱的埃尼獎。

【團隊在該領域的工作匯總】

1. 提出微觀尺度在線測量摩擦起電的方法：Nano Lett 2013, 13, 2771-2776.

2. 通過加偏壓實現了摩擦起電的控制：Nano Lett 2014, 14, 1567-1572.

3 在微觀下比較了摩擦起電和接觸起電之間的區別：Nano Research 2016, 9, 3705-3713.

4. 研究了tapping模式的起電規律，發現只有探針和樣品接近到一定程度才能夠產生摩擦起電：ACS Nano 2016, 10, 2528-2535.

5. 在宏觀尺度研究了摩擦電荷在絕緣體表面的衰減規律，提出熱電子發射模型：Advanced Materials 2018, 30, 1706790.

6. 在宏觀尺度研究了曲率對摩擦起電的影響，發現曲率的變化能夠影響絕緣體之間的電子轉移：ACS Nano 2019, 13, 2034-2041.

本文由材料人編輯部abc940504【肖杰】編譯整理。

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