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      清華大學鄭泉水院士團隊首次實現結構超滑微發電機

      • 发布日期: 2021年4月25日
      • 分类: 媒體報道

            本篇报道的团队在深圳清华大学研究院设超滑技術研究所(點擊進入)

            原载于清华新聞(点击进入)

            清华新聞网4月19日电 近日,清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心郑泉水院士研究组在结构超滑技术的应用领域取得重要突破,首次从实验上实现了结构超滑微发电机。技术上,基于动态肖特基节原理的这个原型样机,在4微米见方的超滑接触面,不仅实现了极高的电流密度(~210 Am-2)和功率密度(~7 Wm-2),還具有幾乎無限的壽命。科學上,該工作還首次排除了摩擦誘導的激發機制,並給出了金屬/半導體相對滑動過程中非平衡電子漂移過程導致發電的物理過程。這項工作將指導和加速超滑微發電機在未來的應用。

            肖特基超滑发电机的结构、输出电流和摩擦力,及其与传统肖特基发电机的对比。(a)石墨岛/ n型硅形成的肖特基超滑发电机的结构示意图。(b)石墨岛/ n型硅形成的肖特基超滑发电机的光学显微镜图像。(c)肖特基超滑发电机的前2,000个循环的电流图。(d)肖特基超滑发电机在不同速度下的摩擦力(红色)和电流(蓝色)与滑动循环次数之间的关系。(e)纳米针尖与n型硅形成的传统肖特基发电机的前56个循环的电流图,以及结构示意图。(f)传统肖特基发电机的摩擦力(红色)和平均电流(蓝色)与滑动循环次数之间的关系。

            隨著微米納米制造技術的飛速發展,不斷微型化的傳感器和器件正在物聯網,傳感器網絡,大數據,私人健康系統,人工智能等領域中大量應用。然而到目前爲止,這些微型器件和傳感器主要仍由電池或者外部充電設備供電,這嚴重限制了其發展和應用場景,尤其是對需要進行獨立,可持續,免維護操作的微型器件,例如植入式生物傳感器,遠程和移動環境傳感器,納米/微型機器人,便攜式/可穿戴式個人電子設備等等,外部供電的方式將變得十分困難,甚至不可實現,而若采用電池這類消耗式電源,如何更換電池和反複對其充能又成爲了一個非常複雜且困難的問題,同時目前小尺度的化學電池也面臨著諸多的困難。

            微发电机指的是一种能够在极其微弱的外界激励下,将激励能量转化为电能的器件,同时其具有结构尺寸微小,适用范围广泛等特点。但是,极低的电流密度和较短的使用寿命导致具有上述优点的微发电机至今没有实现,其中一个很重要的原因是在小尺度下,摩擦和磨损带来的问题被显著的放大,导致其失效。因此,亟待从源头上寻找革命性的技术方法突破摩擦、磨损瓶颈问题,以推动微发电机真正走到实际应用。结构超滑(Structural Superlubricity)指的是两个完全接触的固体表面在滑动过程中,保持几乎为零的摩擦力和零磨损的状态。2012年郑泉水团队第一次在在大气环境中、以m/s的速度实现了微米尺度结构超滑,为上述瓶颈问题的解决带来了曙光。最近,在深圳市政府和深圳市坪山区政府资助下,郑泉水领衔建立了全球第一个结构超滑技术研究机构——深圳清华大学研究院超滑技术研究所。

            近期,一种新型的微发电机结构被提出,即通过金属与半导体接触形成的肖特基节在相对滑动过程中产生直流电信号(简称肖特基发电机),其相比于传统的静电感应式微发电机具有结构简单、电流密度高等优点。然而,到目前为止,所有报道的肖特基发电机都无法同时实现足够高的电流密度和足够长的使用寿命,严重限制了其应用。我们猜测导致上述瓶颈的根本原因是大多数报道的肖特基发电机均基于摩擦激发产生电流的机制。但是,可能存在另一种产生电流的机制,即通过滑动过程中耗尽层建立和破坏形成的非平衡漂移电流来产生电流,可以解决上述的瓶颈问题,而结构超滑技术则提供了一种巧妙的手段来验证该机制。本次报道的工作正是采用石墨岛和原子级平整的n型硅形成的肖特基超滑发电机,实现了稳定的高电流密度(~210 Am-2)和功率密度(~7 Wm-2),而且更重要的是在保持稳定的高电流密度(~119 Am-2)的同時,實現了至少5,000個周期的長壽命。進一步的,我們通過實驗中極低的摩擦力排除了摩擦激發機制,首次揭示了肖特基發電機中還存在其他産生電流的機制,並通過准靜態有限元模擬證明耗盡層建立和破壞形成的非平衡漂移電流是肖特基超滑發電機中最有可能産生電流的機制,並給出了該機制的物理圖像和過程。

            该工作以“具有高电流密度和超长寿命的微型肖特基超滑微发电机”(Microscale Schottky superlubric generator with high direct-current density and ultralong life)为题,2021年4月16日在线发表在《自然·通讯》(Nature Communications)上。鄭泉水的博士生黃軒宇爲該論文第一作者;鄭泉水爲通訊作者。論文合作者還包括深圳清華大學研究院超滑技術研究所的向小健博士、聶錦輝博士和姜海洋博士,清華大學的彭德利博士、錢班本科生楊馥玮、博士生吳章輝、徐志平教授。

            文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-22371-1

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