《AEM》：压电效应+摩擦伏特效应，实现半导体表面能量高效收集与动态传感
2023-11-27 14:41:17   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

研究背景

进入物联网和大数据时代，大量的小型化电子设备对能源装置小型化、节能环保提出了更高的要求。针对这一紧迫挑战，摩擦电纳米发电机（TENG）在2012年被提出，该发电机利用摩擦电效应收集来自不同界面上各种摩擦运动的机械能。

近年来，摩擦电材料的研究也与半导体领域交叉，在半导体领域，可以通过使用半导体表面的肖特基接触产生直流（DC）输出，即摩擦伏特效应。和传统的TENG相比，摩擦伏特纳米发电机（TVNG）具有低阻抗和高电流密度的特点，并且不需要额外的整流电路。

研究人员在不断提高TVNG的输出性能方面取得了一系列进展。然而，与TENG不同，TVNG需要摩擦层之间的紧密接触，且不能有效地收集来自纵向振动和接触分离的能量。这种对单一运动模式（滑动运动）的强烈依赖不仅限制了其在实际工作场景中的适应性，还阻碍了输出功率的持续提高。

同时，基于摩擦伏特效应与其它能量转换效应相结合的混合能量采集器也是提高TVNG能量采集效率和提高其适应性的潜在解决方案。以前，光伏效应是与摩擦伏特效应耦合的首选，显著提高了器件的输出性能。另一方面，压电效应能够响应施加的应力产生电信号。在这种情况下，压电和摩擦伏特效应的结合能够对各种摩擦/振动运动做出反应。

到目前为止，将压电效应与摩擦伏特效应相结合的混合能量收集器件尚未被报道。压电器件主要响应应力的增加和释放，而摩擦伏特器件主要响应水平方向的位移，这表明适当的系统设计是平衡这两种效应的关键。

文章概述

据麦姆斯咨询报道，针对半导体材料摩擦能量收集的瓶颈，北京纳米能源所和清华大学的联合研究团队首次提出了一种压电-摩擦伏特纳米发电机（P-TVNG），它可以在TVNG原始输出极限的基础上实现额外的性能改进。对于P-TVNG，区熔硅（fz-Si，电阻率＞1000Ω·m）和超低掺杂氮化镓（GaN，掺杂浓度≈10¹³cm⁻³）是摩擦层材料，PZT陶瓷是压电元件。混合电信号由与压电模块和摩擦伏特模块连接的可切换管理电路调制。

文章提出了两种工作模式来解决摩擦伏特效应和压电效应的兼容性问题，使压电效应能够在不干扰TVNG原始工作性能的情况下收集额外的能量。在这种情况下，压电模块可以帮助提高各种摩擦伏特器件的输出性能。此外，压电模块在该复合系统中具有能量收集和运动传感的双重功能。通过切换管理电路，压电电压可以用作传感信号，以表征摩擦伏特设备的运动状态以及系统的稳定性，这有助于优化TVNG的能量转换效率。

这项研究促进了TVNG在半导体行业的应用，而压电-摩擦伏特耦合效应也在机电工程、智能制造等领域带来了新的应用。

图文导读

图1 P-TVNG系统原理和材料表征

为了有效地从复杂的振动和运动中收集机械能，摩擦电压效应和压电效应被集成到P-TVNG系统中，如图1a所示。该系统包含一个压电模块和一个摩擦模块，两者都能够响应不同的机械运动产生能量。此外，半导体和压电陶瓷的使用促进了器件的小型化，并使其能够集成到微机电系统（MEMS）器件中。该系统包括一个紧密结合的界面和一个可移动的界面，以激活两种效果。

压电模块和摩擦电半导体之间的界面紧密结合，确保压力变化的有效传递并引发压电效应。另一方面，可移动界面允许摩擦电压效应从摩擦电半导体的滑动运动中产生电能。此外，P-TVNG系统具有传感功能，可以通过分析各种振动条件下的不同信号波形来监测设备的运行状态。

图2 P-TVNG的能量收集效果

在最佳实验条件下，P-TVNG的输出功率密度高达3.61W/m²，比以前使用类似材料的TVNG的最高记录高出28.93%。文章设计了单片和多片两种工作模式，改变压电模块的位置和数量让P-TVNG系统得以应对不同的使用需求。同时，压电模块可以集成至任何一种硬质半导体材料上，大大提高了P-TVNG系统的适应性。

图3 P-TVNG的动态传感功能

切换管理电路，可以利用压电模块的电压信号实现动态传感功能。通过压电信号和摩擦伏特效应的信号曲线，文章具体分析了摩擦伏特效应在工作中的运动状态，可以分为六个阶段。此外，还进一步得出了增强横向运动的外力对TVNG的能量收集有积极影响，但突变力会使摩擦层之间的不稳定接触，导致摩伏电流急剧减少，为器件的优化提供了方向。

结论

本文提出了一种结合压电效应和摩擦伏特效应的P-TVNG系统，该系统集成了高能量采集和动态压力传感功能。该系统具有单个或多个陶瓷片压电模块的两种工作模式，以适应广泛的工作条件。因此，这种设计理念允许压电模块在各种TVNG的原始输出极限之上提供额外的性能增强。

在实验系统下的最佳工作条件确定为垂直力为9N，速度为1m/s，合力方向与水平方向夹角约为30°。在最佳条件下，该P-TVNG系统的最大输出压电/摩擦电流复合高达60μA，是单摩擦模块工作状态下的两倍。同时，输出功率密度高达3.61W/m²，比以前使用类似材料的TVNG的最高记录高出28.93%。此外，该P-TVNG系统中的压电模块还可以通过切换管理电路作为传感器工作。

基于压电电压信号，可以分析TVNG的详细工作特性。通过传感监测发现，摩擦电流的变化滞后于压电电压的变化，并且压电电压信号揭示了不同停止位置处的不同应力分布。施加在器件顶部的稳定应力有利于TVNG获得高摩擦电流，而施加应力的变化会导致压电模块的显著输出，所以存在一个平衡的工作状态使总输出能达到最大值。

因此，P-TVNG作为压电材料和半导体的集成体，可以完全实现能量采集、传感和自驱动的多功能性。在智能机电系统和半导体制造中，不同半导体之间的垂直接触和滑动是不可避免的，P-TVNG这样的组合系统存在广泛的应用空间。

该论文以“A Piezo-Tribovoltaic Nanogenerator with Ultrahigh Output Power Density and Dynamic Sensory Functions”为题，发表在《Advanced Energy Materials》杂志上，陈翔宇研究员、王中林院士和褚祥诚副教授是共同通讯作者，博士生覃思遥是第一作者论文。

论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202303080

延伸阅读：

《基于摩擦电的能量收集和传感（TENG）-2020版》

《热电能量收集及其它零排放热能发电-2022版》

《从微瓦到吉瓦的能量收集技术及市场机遇-2020版》