基于PDMS复合摩擦层的微纳调控及其提高摩擦纳米发电机输出性能的研究

发布时间：2020-04-06 09:44

【摘要】：近年来,基于静电感应效应和摩擦起电效应耦合的摩擦纳米发电机(TENG),由于其对低频震动和微小震动的良好响应,被越来越多地用于收集环境中各类能源和相关传感器。目前,对摩擦电纳米发电机的研究主要集中在两个方面:一是对器件和电极结构的设计优化;二是对摩擦材料的改性,使器件电极层达到能量密度的最大化,从而提高器件的转化效率。随着生物医学传感器电子皮肤和人机交互传感器等基于TENG技术的传感设备的发展,人们对TENG的表面电荷密度的提高从而增加其输出性能的需求越来越迫切。摩擦层的表面电荷密度是TENG的一项重要参数,提高TENG的摩擦材料的表面电荷密度可以从根本上提高TENG的性能。作为驻极体中的一员的聚合二甲基硅氧烷(PDMS,[Si(CH_3)_2O]_n),由于其拥有可塑性强、透明度高、柔韧性强、高电负性和生物兼容性等优点,常常作为制作TENG的首选材料。本文从介电调控、负电性修饰和在近摩擦表面建立内空间电荷区的微纳调控方法来提高TENG摩擦材料的电荷密度,以此提高TENG的输出并在此过程中探究相关机理,主要研究工作如下:(1)通过水热法合成无铅的且拥有大量氧的悬挂键的立方块状NaNbO_3,将其按不同的质量浓度分散到PDMS中,制作铌酸钠摩擦纳米发电机(NaNbO_3-TENG,N-TENG)。当质量比为7wt%时,得到了输出性能最大的N-TENG,其开路电压为550V,短路电流为16μA,当其外部负载为100MΩ时,功率密度为5.5mW/m~2。从介电调控和负电性修饰的基本理论出发,系统研究了N-TENG的机理。N-TENG除了被用于组装自驱动的电子手表,还被用于直接点亮48盏LED灯。由于该TENG拥有造工艺简单、功耗低、输出功率密度高和生物相容性良好等特点,其可以用于大规模制造柔性传感器和生物传感器等。(2)通过在摩擦层的近表面嵌入沟壑纵横的金层,使摩擦电荷在负摩擦层的漂移通道得以建立,从而使摩擦层近表面内部空间带电区得以形成。由于内部空间带电区的存在,嵌入金层的PDMS摩擦纳米发电机(G-TENG)转移的电荷密度高达168μC/m~2,是纯的PDMS纳米发电机的近4倍。与此同时,在负载约为8MΩ时G-TENG的输出功率密度可达1W/m~2.本研究也首次引进量子隧穿的观点讨论了摩擦电荷在摩擦层的转移和储存机制。理论分析表明,当电荷漂移到摩擦材料的内部时,金层有利于电子的扩散,并扮演着捕获电子的角色,在摩擦负电层的内部可能有隧穿效应的存在。同时,我们也提出了与实验结果吻合良好的TENG输出电流的理论计算方法。本研究创造性地提出了在摩擦材料近表面建立空间电荷区的想法并提出新的理论模型,提供了一种简单而新颖的方法来提高TENG的表面电荷密度。
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电子器件,可移动

引言着社会生产力的发展和科技的进步，无线可移动电子设备已经深入生活的各个角落，并被广泛用于例如国家安全、远程资产跟踪、结构、环境监测、远程患者监护、生物传感器、超灵敏化学传感器、微机MS）纳米机器人、和便携式无线个人电子器件等。随着各式各样的电发展，其朝着小型化、可移动、便携化和多功能的方向发展。例如，是基于真空管的大型设备，而后来被基于固态金属-氧化物-半导体SFET，金属氧化物半导体场效应晶体管）所替代。到现在各式各样的平板电脑大量出现，数量从早先的全球仅几台到后来每个单位部门一的人手一台甚至多台。另外回到现在，在信息高速发达的今天，可以刻无处不在使用着移动电子设备（见图 1.1），最常见的就是手机，2手机保有量（注册数量）已超越全球人口数量，由此带来的移动电子给问题日渐突出，目前主要依靠外接电源、充电或者更换电池[1]。

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图 1.2 环境中的一些能量Fig. 1.2 Some energy in the environment. 纳米发电机简介.1 纳米发电机的介绍及分类纳米发电机（Nanogenerator，NG）是利用纳米技术收集环境中的机械能化为电能的器件，从周围环境中收集诸如潮汐能、风能、声波能等常被忽将其转化为电能[11, 24]。最早由中国科学院、欧洲科学院院士、美国佐治亚教授王中林教授提出，他和他的研究团队通过原子力显微镜的探针来拨氧化铝衬底上的氧化锌纳米线并获到电流信号。此发现最早被发表在美国杂志上，，引起了科学界巨大的轰动，并获得了极高的评价。经过数年的发发电机按照发电机理的不同被分为：压电纳米发电机（PENG）、摩擦电纳（TENG）以及热释电纳米发电机（PNG）。① 压电纳米发电机（PENG）
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM31

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