【摘要】：近年來,基于靜電感應(yīng)效應(yīng)和摩擦起電效應(yīng)耦合的摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG),由于其對(duì)低頻震動(dòng)和微小震動(dòng)的良好響應(yīng),被越來越多地用于收集環(huán)境中各類能源和相關(guān)傳感器。目前,對(duì)摩擦電納米發(fā)電機(jī)的研究主要集中在兩個(gè)方面:一是對(duì)器件和電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化;二是對(duì)摩擦材料的改性,使器件電極層達(dá)到能量密度的最大化,從而提高器件的轉(zhuǎn)化效率。隨著生物醫(yī)學(xué)傳感器電子皮膚和人機(jī)交互傳感器等基于TENG技術(shù)的傳感設(shè)備的發(fā)展,人們對(duì)TENG的表面電荷密度的提高從而增加其輸出性能的需求越來越迫切。摩擦層的表面電荷密度是TENG的一項(xiàng)重要參數(shù),提高TENG的摩擦材料的表面電荷密度可以從根本上提高TENG的性能。作為駐極體中的一員的聚合二甲基硅氧烷(PDMS,[Si(CH_3)_2O]_n),由于其擁有可塑性強(qiáng)、透明度高、柔韌性強(qiáng)、高電負(fù)性和生物兼容性等優(yōu)點(diǎn),常常作為制作TENG的首選材料。本文從介電調(diào)控、負(fù)電性修飾和在近摩擦表面建立內(nèi)空間電荷區(qū)的微納調(diào)控方法來提高TENG摩擦材料的電荷密度,以此提高TENG的輸出并在此過程中探究相關(guān)機(jī)理,主要研究工作如下:(1)通過水熱法合成無鉛的且擁有大量氧的懸掛鍵的立方塊狀NaNbO_3,將其按不同的質(zhì)量濃度分散到PDMS中,制作鈮酸鈉摩擦納米發(fā)電機(jī)(NaNbO_3-TENG,N-TENG)。當(dāng)質(zhì)量比為7wt%時(shí),得到了輸出性能最大的N-TENG,其開路電壓為550V,短路電流為16μA,當(dāng)其外部負(fù)載為100MΩ時(shí),功率密度為5.5mW/m~2。從介電調(diào)控和負(fù)電性修飾的基本理論出發(fā),系統(tǒng)研究了N-TENG的機(jī)理。N-TENG除了被用于組裝自驅(qū)動(dòng)的電子手表,還被用于直接點(diǎn)亮48盞LED燈。由于該TENG擁有造工藝簡(jiǎn)單、功耗低、輸出功率密度高和生物相容性良好等特點(diǎn),其可以用于大規(guī)模制造柔性傳感器和生物傳感器等。(2)通過在摩擦層的近表面嵌入溝壑縱橫的金層,使摩擦電荷在負(fù)摩擦層的漂移通道得以建立,從而使摩擦層近表面內(nèi)部空間帶電區(qū)得以形成。由于內(nèi)部空間帶電區(qū)的存在,嵌入金層的PDMS摩擦納米發(fā)電機(jī)(G-TENG)轉(zhuǎn)移的電荷密度高達(dá)168μC/m~2,是純的PDMS納米發(fā)電機(jī)的近4倍。與此同時(shí),在負(fù)載約為8MΩ時(shí)G-TENG的輸出功率密度可達(dá)1W/m~2.本研究也首次引進(jìn)量子隧穿的觀點(diǎn)討論了摩擦電荷在摩擦層的轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存機(jī)制。理論分析表明,當(dāng)電荷漂移到摩擦材料的內(nèi)部時(shí),金層有利于電子的擴(kuò)散,并扮演著捕獲電子的角色,在摩擦負(fù)電層的內(nèi)部可能有隧穿效應(yīng)的存在。同時(shí),我們也提出了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好的TENG輸出電流的理論計(jì)算方法。本研究創(chuàng)造性地提出了在摩擦材料近表面建立空間電荷區(qū)的想法并提出新的理論模型,提供了一種簡(jiǎn)單而新穎的方法來提高TENG的表面電荷密度。
【圖文】：

引言著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和科技的進(jìn)步，無線可移動(dòng)電子設(shè)備已經(jīng)深入生活的各個(gè)角落，并被廣泛用于例如國家安全、遠(yuǎn)程資產(chǎn)跟蹤、結(jié)構(gòu)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)、生物傳感器、超靈敏化學(xué)傳感器、微機(jī)MS）納米機(jī)器人、和便攜式無線個(gè)人電子器件等。隨著各式各樣的電發(fā)展，其朝著小型化、可移動(dòng)、便攜化和多功能的方向發(fā)展。例如，是基于真空管的大型設(shè)備，而后來被基于固態(tài)金屬-氧化物-半導(dǎo)體SFET，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）所替代。到現(xiàn)在各式各樣的平板電腦大量出現(xiàn)，數(shù)量從早先的全球僅幾臺(tái)到后來每個(gè)單位部門一的人手一臺(tái)甚至多臺(tái)。另外回到現(xiàn)在，在信息高速發(fā)達(dá)的今天，可以刻無處不在使用著移動(dòng)電子設(shè)備（見圖 1.1），最常見的就是手機(jī)，2手機(jī)保有量（注冊(cè)數(shù)量）已超越全球人口數(shù)量，由此帶來的移動(dòng)電子給問題日漸突出，目前主要依靠外接電源、充電或者更換電池[1]。

圖 1.2 環(huán)境中的一些能量Fig. 1.2 Some energy in the environment. 納米發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)介.1 納米發(fā)電機(jī)的介紹及分類納米發(fā)電機(jī)（Nanogenerator，NG）是利用納米技術(shù)收集環(huán)境中的機(jī)械能化為電能的器件，從周圍環(huán)境中收集諸如潮汐能、風(fēng)能、聲波能等常被忽將其轉(zhuǎn)化為電能[11, 24]。最早由中國科學(xué)院、歐洲科學(xué)院院士、美國佐治亞教授王中林教授提出，他和他的研究團(tuán)隊(duì)通過原子力顯微鏡的探針來撥氧化鋁襯底上的氧化鋅納米線并獲到電流信號(hào)。此發(fā)現(xiàn)最早被發(fā)表在美國雜志上，，引起了科學(xué)界巨大的轟動(dòng)，并獲得了極高的評(píng)價(jià)。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)發(fā)電機(jī)按照發(fā)電機(jī)理的不同被分為：壓電納米發(fā)電機(jī)（PENG）、摩擦電納（TENG）以及熱釋電納米發(fā)電機(jī)（PNG）。① 壓電納米發(fā)電機(jī)（PENG）
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM31

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本文編號(hào)：2616348