摩擦伏特效應是半導體界面摩擦產生直流電的現(xiàn)象，摩擦形成新的化學鍵，釋放出被稱為 “bindington”的能量，激發(fā)半導體界面上的電子-空穴對發(fā)生躍遷，從而在內建電場或界面電場的作用下產生直流電。摩擦伏特納米發(fā)電機（TVNG）相比于傳統(tǒng)基于絕緣體聚合物的摩擦納米發(fā)電機（TENG），具有高電流密度、低內阻和高功率密度的特點，且不需要經過復雜的電源管理就可以為低功耗電子設備供電，在自供電系統(tǒng)領域展現(xiàn)出了巨大的潛力，目前基于Si、GaN、Bi2Te3等無機半導體TVNG在電學輸出上已經取得了突破性的進展，其在厘米級尺寸上可以實現(xiàn)100 V以上的電壓輸出及為智能電子設備供電。然而剛性的無機半導體材料并不適合可穿戴柔性電子器件的集成與應用。為了開發(fā)柔性半導體TVNG，研究人員將PEDOT:PSS、PPy及PAN等有機半導體集成到柔性薄膜和纖維織物上，展現(xiàn)了較好的柔韌性和直流輸出特性。其中織物基TVNG由于具有優(yōu)異的柔韌性，人體可穿戴性，是目前柔性半導體TVNG發(fā)展的重點。
圖1 氫鍵活化織物基超高電流密度摩擦伏特納米發(fā)電機
近期，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所張弛研究員團隊報道了由氫鍵（HBs）活化的超高電流密度摩擦伏特發(fā)電織物（FO-TTG）。這是團隊報道的PVA增強PEDOT:PSS摩擦伏特性能和機械性能基礎上進一步的研究成果（Nano Energy, 2023, 106, 108075）。在本項工作中，與未激活的性能相比，在摩擦界面上引入 95%乙醇形成氫鍵激活的FO-TTG產生的電流密度和峰值功率密度是8.75 A/m2和1074.5mW/m2，分別提高了438倍和170倍（圖2）。此外，在厘米級尺寸，這一電流密度比目前報道的無機 TVNG的電流密度紀錄大 3.43 倍以上。研究人員應用了不同濃度的乙醇溶液、DMSO等作為激活溶劑，發(fā)現(xiàn)95%乙醇溶液是最佳選擇，其激活效果明顯優(yōu)于其他溶劑，添加 95%的乙醇溶液不會損害復合薄膜的結構完整性，并保持其機械耐磨性。此外，研究者發(fā)現(xiàn)FO-TTG在界面引入95%乙醇后，其功率密度和本征內阻得到了優(yōu)化，對大電容的充電能力顯著提升。在不同滑動速度和壓強下，FO-TTG的電流密度和開路電壓均表現(xiàn)出正相關性，進一步證明了其在不同工作條件下的穩(wěn)定性和高效性（圖3）。
圖2 柔性有機紡織摩擦伏特發(fā)電機（FO-TTG）的基本結構和組成
圖3 FO-TTG的輸出性能表征
研究人員研究了其工作機制，摩擦界面滴加的溶劑能夠通過與 PSS-形成氫鍵來屏蔽 PEDOT+和 PSS-之間的離子鍵合作用，釋放出更多的活性 PEDOT+，摻雜劑聚乙烯醇 （PVA）被溶劑溶解時能進一步暴露出更多的 PEDOT:PSS，導致活性成分PEDOT+進一步被釋放（圖4）。FO-TTG的高輸出電流能力使其在實際應用中展現(xiàn)出巨大應用潛力。通過簡單的串聯(lián)或并聯(lián)，FO-TTG能夠直接為電子表、溫濕度計、藍牙無線傳輸報警系統(tǒng)等低功耗電子設備供電。對于日常使用頻率最高的手機，FO-TTG也能為其充電。此外，得益于其超高的輸出電流密度，六個并聯(lián)的FO-TTG在低頻機械能輸入下，能直接為2 F的大電容充電，10min儲存的電能可驅動小型電機運行20 s，這在傳統(tǒng)TENG中是難以實現(xiàn)的應用范例（圖5）。這些應用不僅展示了FO-TTG的高輸出能力，也為深入理解摩擦伏特效應機理、有機半導體器件性能調控、結構設計等方面奠定了基礎，為摩擦伏特效應的基礎研究和應用開辟了新的思路，具有重要的科學意義和應用價值。
圖4 FO-TTG的工作機理分析
圖5 六個串聯(lián)或并聯(lián)FO-TTG應用舉例
相關研究以“Ultrahigh Current Density Tribovoltaic Nanogenerators Based on Hydrogen Bond-Activated Flexible Organic Semiconductor Textile”為題發(fā)表在ACS Nano期刊上（Doi：10.1021/acsnano.4c11010）。文章第一作者是北京納米能源與系統(tǒng)研究所助理研究員劉國旭博士。該工作得到了國家自然科學基金原創(chuàng)探索計劃項目延續(xù)資助的支持（52450006）。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c11010
