微观尺度摩擦起电中的电子转移与温度作用切磋获进展

摩擦起电现象是一个古老的科学问题,有两百多年的研究历史。由于摩擦起电引起的静电击穿会引起爆炸等灾害,因此在很长一段时间里,摩擦起电被认为是一种负面现象。2012年,佐治亚理工学院王中林课题组将这个“负面现象”巧妙地应用在能源领域中,发明了摩擦发电机。由于摩擦发电机在能源搜集以及自驱动系统等应用中有明显优势,引起了研究者的广泛关注,也使研究者重新燃起对摩擦起电这一现象的兴趣。在目前的摩擦起电机理研究中,人们普遍认为金属与金属之间的电荷转移是由金属之间的功函数差导致的电子转移引起的。但是,一旦涉及电介质的摩擦起电,电荷的载流子类型就存在争议,一部分研究者认为在电介质表面态中电子是载流子。也有研究者认为电介质的摩擦起电是由吸附在电介质表面的离子转移引起的。

摩擦起电现象是一个古老的科学问题,有两百多年的研究历史。由于摩擦起电引起的静电击穿会引起爆炸等灾害,因此在很长一段时间里,摩擦起电被认为是一种负面现象。2012年,佐治亚理工学院王中林课题组将这个“负面现象”巧妙地应用在能源领域中,发明了摩擦发电机。由于摩擦发电机在能源搜集以及自驱动系统等应用中有明显优势,引起了研究者的广泛关注,也使研究者重新燃起对摩擦起电这一现象的兴趣。在目前的摩擦起电机理研究中,人们普遍认为金属与金属之间的电荷转移是由金属之间的功函数差导致的电子转移引起的。但是,一旦涉及电介质的摩擦起电,电荷的载流子类型就存在争议,一部分研究者认为在电介质表面态中电子是载流子。也有研究者认为电介质的摩擦起电是由吸附在电介质表面的离子转移引起的。

接触起电发现于古希腊时代。它的发现虽然距今已有2600多年历史,但在其原理上仍存有很多争论。其中最重要的是,在起电过程中,电荷转移是通过电子还是离子的转移来实现以及为什么产生的电荷可以长时间保留于材料表面。金属与金属之间或是金属与半导体之间的接触起电,通常认为是产生了电子转移,并可以通过功函或接触电势的不同来解释。而通过引入表面态的概念,电子转移理论也可以在一定程度上解释金属与绝缘体之间的接触起电。但是,离子转移也可以用来解释接触起电,并且更适用于含有聚合物的起电体系,例如其中的离子或官能团主导了起电现象的产生。几乎所有的与接触起电有关的已有研究都集中在产生的电荷总量上,而很少有关于表面静电量变化的实时探测或与温度相关的研究。迄今为止,仍未有一种令人信服的理论能够用来揭示接触起电的主导机制究竟是源于电子还是离子转移。

近日,在王中林指导下,中国科学院北京纳米能源与系统研究所林世权等人使用原子力显微镜和开尔文探针力显微镜从微观尺度研究了不同温度下摩擦电荷的衰减行为以及温度差对摩擦起电的影响。他们在原子力显微镜的peakforce
tapping模式下使用镀金探针在SiO2、Si3N4、AlN等样品表面进行接触产生电荷转移,随后在不同的温度下观察了样品表面摩擦电荷密度随时间的衰减规律,发现微观下的摩擦电荷衰减与之前研究中宏观尺度的衰减规律类似,都呈指数衰减,根据实验结果,他们提出了一个修正的摩擦电荷热电子发射模型。进一步,他们研究了当探针与样品存在温度差时两者之间的摩擦起电行为,发现在摩擦起电中温度升高会使固体更倾向于失去电子,温度降低会使固体更倾向于得到电子。根据费米-狄拉克方程,当金属的温度升高时,金属中的电子跑到高能级的概率会增加,更倾向于离开金属表面,因此当金属与电介质接触的时候更容易失去电子,使电介质获得负电。相反的,当金属的温度降低时,金属中的电子跑到高能级的概率降低,金属与电介质接触时更倾向于获得电子,使与之接触的电介质获得正电。有一种特殊情况是,在温度相同时,电介质与金属接触获得正电。当金属温度升高到一定程度,而电介质温度保持不变,金属中的电子在温度的作用下更倾向于转移到电介质中,使电介质获得负电,发生摩擦电荷转移的极性反转。这一研究验证了王中林研究组之前提出的摩擦起电热电子发射模型的正确性,为摩擦起电电子转移理论提供了又一个强有力证据。

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中国科学院外籍院士、中科院北京纳米能源与系统研究所首席科学家王中林基于麦克斯韦位移电流原理提出的摩擦纳米发电机(Triboelectric
nanogenerator,TENG)技术,可以精确地表征表面电荷密度,并可以实现不同温度下的应用,这为解决上述接触起电中的难题提供了一种新思路。近日,王中林指导下,副教授许程、博士訾云龙、博士研究生王琦等通过设计的可以工作在高温下的TENG,实现了表面电荷密度/电荷量的实时与定量测量,从而揭示了接触起电过程中的电荷特性与根本机制。该研究设计了不同种类的TENG,并使TENG在运行过程中仅产生极少量的电荷,因此可以忽略其自身所产生电荷的影响。通过引入初始电荷,研究TENG在不同温度条件下表面电荷随时间的演化特性,实验和模拟结果显示,其较好的符合热电子发射方程,证实了两种不同固体材料间的接触起电主要源于电子转移。此外,该研究还揭示了不同材料的表面有着不同的势垒高度,正是由于该势垒的存在,才使得接触起电产生的电荷能够贮存于表面而不致逃逸。基于上述的电子发射主导的接触起电机制,该研究进一步提出了一种普适的电子云-势阱模型,首次实现了任何两种传统材料间接触起电原理的统一解释。该研究提出的方法,有利于更好地理解接触起电效应,同时为发展摩擦纳米发电机在微纳能源、蓝色能源、自驱动传感、人工智能、机器人和物理方面的应用提供了科学基础。

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