纳米摩擦发电机概述

马明园

一、纳米摩擦发电机的发明背景

20世纪90年代以来，微型电子器件及微机电系统的研究取得长足发展。在日常生活中，经常要用到大小介于μm和mm之间的硅基器件。然而，如何为这些微型器件提供合适的电源成为研究人员面临的一个重要问题。通常来说，微型器件的功耗是很低的，目前这类电子设备仍然依赖于可充电电池。但这些器件在应用过程中部署的数量是巨大的，所需电池的数量随着移动电子设备数量和密度的增加而成比例增长。因此，电池的回收再利用就面临诸多挑战，而且废弃的电池对环境也会造成一定的负担。不仅如此，一些用于特殊领域的电子产品，例如透明柔性电子设备、植入式电子设备等，对所用电池的要求很高甚至无法使用电池。因此，开发能够从周围环境中自行收集能量的微纳尺度电源系统具有重要的意义和实用价值。让微纳器件能够给自身提供电源，从而实现器件和电源的小型化、智能化，这是研究人员一直探索和努力的目标。该项技术的实现将在减小电源尺寸的同时提高能量密度与效率，在纳米系统的集成化、微型化方面将产生深远的影响。

一个自驱动的电源从环境中汲取能量，因而无需任何维护，这无疑是非常吸引人的。为了使得任何系统都能成为自驱动的系统，系统必须能从其周围环境中收集能量，并且把这些收集的能量存储起来以备后用。能量在周围的环境中以各种形式存在着，而人体自身也可提供多种潜在能量，如机械能、热能、振动能、化学能等，可以将这些能源转变为电能，用来驱动微小系统和器件。近年来，研究人员利用传统压电材料和电磁线圈发明了基于振动的微型发电机，但这些发电机结构复杂、尺寸较大，难以与微型传感器件相匹配。研究人员还寻求可以将生物能和化学能转换为电能的微纳发电装置，但目前的研究结果仍不理想。随着纳米科学和技术的发展，特别是纳米材料制备领域的不断进步，研究人员正通过不同途径，应用纳米材料设计和制备能在微小尺度上产生电能的装置，由此诞生了可用于微纳系统的电源装置——纳米发电机。

通常来说，发电机是一种可以产生电荷或将正负电荷分开，并利用电势差驱动产生的电荷定向流动行程电流的装置，它可以以电磁效应、压电效应、热电效应、静电效应为基础。压电纳米发电机依靠纳米压电材料所生成的压电电势实现發电。摩擦电和静电是一种非常普遍的现象，存在于日常生活中的各个层面，从人体运动如走路到各种机械运动如开车等。由于它很难被收集和利用，往往是一种被人们所忽略的能源形式。如果可以通过一种新的方法收集摩擦产生的电能或者利用该方法将日常生活中不规则的动能转换成可以利用的电能，将对日常生活产生重要影响。截至目前，微型静电发电机的设计主要以无机硅材料为基础，并且器件的制造需要复杂的工艺和精密的操作。但整个装置的制备需要大型的仪器设备和特殊的生产条件，而且造价成本过高，不利于发电机的商业化和日常应用。

二、纳米摩擦发电机的发明

2012年，美国佐治亚理工学院王中林小组的范凤茹报导了一种基于摩擦电的柔性薄膜发电机。利用摩擦起电和静电感应相结合，并进一步合理设计器件结构，使摩擦起电这一古老的现象展现出新的应用价值和潜力。整个摩擦发电机是将镀有金属电极的高分子聚合物薄膜聚酰亚胺薄膜和聚对苯二甲酸乙二醇薄膜贴合在一起组成器件，在外力作用下器件产生机械形变，导致2层聚合物薄膜之间发生相互摩擦，从而产生电荷分离并形成电势差。2个金属电极板作为发电机的电能输出端，通过静电感应可以在表面生成感应电荷。感应电荷在电势差的驱动下经外电路形成电流。

摩擦发电机由2种高聚物薄膜构成，结构示意图和实物图如图1。整个器件是互相堆叠的三明治结构，一片厚度125μm的聚酰亚胺薄膜与另一片厚度220μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜互相叠放，并与2个薄膜的顶部和底部溅射镀金电极，厚度100nm。实验结果表明，在0.13%的机械形变下，器件的输出电压高达3.3V，输出电流0.6μA，峰功率密度10.4mW/cm3。这种发电机结构简单、新颖，输出性能与目前其他类型的微型发电机相比具有明显的优势，且具有很大的性能提升潜力。其低廉的制作成本和简单的加工工艺将有助于大规模的生产和应用，在个人电子产品、环境监控、医学科学及其他自驱动供电设备中具有巨大的应用潜力。

笔者为了确认所得到的电能输出信号是器件本身输出，而非测量系统或者其他环境噪音所致，整个测试过程都采用了“极性反转”实验进行验证。当电流表的正负极与器件的正负输出极相对应时，单次弯曲器件可以测得一个正的脉冲输出信号，而释放器件即可得到一个相应的负峰值信号。反之，当电流表的正负极与器件的正负输出极反接时，同样的过程中，得到的正负峰值信号刚好相反。极性反转的实验表明所得到的电能输出信号不可能是来自于测量系统本身或者周同环境的影响，可以作为排除虚假信号的判据。

三、纳米摩擦发电机的工作原理

纳米摩擦发电机的电能输出机制可以用摩擦起电效应与静电诱导效应2者的耦合效应来说明。起初，当外力作用于器件时，使得2片绝缘的聚合物紧密接触，由于2者在摩擦序列中所处的位置不同，结果将在2者接触的表面上产生数量相等、极性相反的静电荷。在这里，PET表面带正电，Kapton表面带负电，这样在界面处就形成了一个偶极层。由于聚合物是绝缘的，产生的电荷不会被导走或者中和。这时系统处于一个平衡态，所有的正电荷和所有的负电荷在界面处互相屏蔽，不会有电流的产生。当外力撤去，有机薄膜互相分离，这时由于距离的增加，处于2层薄膜界面上的电荷不能完全互相屏蔽彼此的电势，将产生一个电势差，并将在各自相邻的金属电极上诱导出极性相反的电荷，即与PET接触的电极被诱导出负电荷，与Kapton接触的电极被诱导出正电荷，这个过程将产生一个正向电流脉冲（假定从上电极到下电极的方向为正向）。当距离增加到最大值时，2层带电薄膜对彼此电荷的屏蔽作用近乎为零，这时与PET相邻的电极上诱导出的电荷与PET上的电荷数量相等且极性相反。同理与Kapton薄膜相邻的电极上将诱导出于Kapton薄膜上的电荷数量相等且极性相反的正电荷。这时系统重新恢复到了平衡态，外电路没有电流产生。当外力再次施加于器件时，2层聚合物薄膜之间的距离再次减小，由于2个薄膜上所带电荷之间再次有了屏蔽效应的产生，将在上电极和下电极之间产生一个与外力撤去时方向相反的电势差，这个电势差会驱动2个电极之间产生电荷的流动，方向是电子从上电极流向下电极，也就是有了一个负向电流脉冲，这个过程将持续到2片薄膜再次紧密接触为止。从图2可以看出，一个完成的循环过程将产生一个正向电流脉冲和一个负向电流脉冲，也就是一个交流电信号。所以，只要器件不断的受到外力作用反复的接触-分离，那么持续的交流电信号输出就形成了。另一方面，2层金属膜电极层可以近似看成一个平板电容器。

当受到外力作用是，2个聚合物之间的间距将减小。将设C是整个系统的电容，V是2个电极之间的电势差，流经外电路负载产生的电流即：

I=C V/ t+V C/ t

公式的第1项表示的是静电诱导作用导致2层之间的电势变化，第2项则表示的是器件发生机械形变时，2层电极之间距离的改变而导致的系统的电容产生改变。当2层电极之间由于摩擦作用存在电势差时，将有助于电流的产生。以上电势和电容的变化的贡献使得第一个电流脉冲产生。同理，当器件恢复原始状态时，电势差和系统电容的改变将导致一个方向相反的电流脉冲产生。以上就是摩擦发电机的基本原理。

四、摩擦发电机的发展

1.摩擦发电机的分类

摩擦发电机自从2012年被发明出以来，性能不断的得到提高。目前按照其工作模式来划分有4种模式，分别是：垂直接触-分离式、滑动式、单电极式和独立式。其中最基本的是垂直接触-分离式和滑动式，后2种是前2种模式的延伸。

（1）接触-分离式

第1个被报导的摩擦发电机就是这种模式的发电机，其工作原理已在上一节中详细说明，这一节不再具体展开说明。

（2）滑移式

继接触-分离式摩擦发电机之后，又一种工作模式被报导出来，就是滑移式。这种发电机利用的是面与面之间的横向滑动，当2个表面之间由于横向滑动而紧密接触摩擦之后，面与面之间接触面积的周期性改变会导致电荷中心的横向分离，这就会产生一个电压降并且驱动电子在外电路中流动。在这种模式下的发电机输出电压高达1 300V，峰电流密度达到4.1mA/m2，并且峰值能量密度达到5.3W/m2。发电机产生的能量足以驱动数百个电子器件，例如LED灯泡。滑动式摩擦发电机的工作原理见图3。

在初始位置（Ⅰ）处，2个薄膜表面互相紧密接触。由于两者之间对电子的吸引能力有很大的差距，所以摩擦之后，尼龙薄膜表面将会带正电，聚四氟乙烯薄膜表面将会带负电，两者的带电量相等。由于2种薄膜都是绝缘体，所以电荷不会进入薄膜内部而只会留在薄膜表面且在很长一段时间内不会消失。此外，由于2个薄膜表面之间在垂直方向上的距离可以忽略不计，所以2个电极之间的微小的电压降也可以忽略不计。一旦上部的尼龙薄膜开始相对聚四氟乙烯薄膜滑动出去（Ⅱ），面与面之间的电荷分离由于接触面积的改变将会开始。电荷的分离会产生一个指向从右往左平行于薄膜的电场，这个电场会在上面的电极诱导出更高的电势。这个电势差将会驱动电子从上电极流向下电极以屏蔽此电势差。因为相比于横向的电荷分离距离，电极层和薄膜层之间的距离可以忽略不计，所以电极之间转移的电荷量将等于横向位移分离的电荷量，因此电流将会持续到整个上面的薄膜完全滑离出下面的薄膜（Ⅲ）。

随后，当上面的薄膜往相反方向滑行的时候，也就是向着上面薄膜靠近的时候，分离的电荷开始重新接触并且不会中和。由于薄膜之间接触面积的增加，电极之间的减少的电荷将通过外电路往反方向流动以达到电荷平衡。这会产生一个方向从下电极到上电极的电流。一旦2片薄膜再次完全紧密接触，电极之间不会再有电荷的转移，器件恢复到原始状态（Ⅰ）。所以，在整个的循环中，滑出和滑入过程是对称的，所以将会产生一对对称的交流电。

（3）单电极式

单电极式摩擦发电机是摩擦发电机运行的第3种模式，也可以说是前 2种模式的一个延伸，又可细分为垂直接触-分离单电极式摩擦发电机和滑动单电极式摩擦发电机。单电极式摩擦发电机并不是只有一个电极，而是把另一个电极的角色由地电极来承担。通过发电机本身的电极和地电极之间的电荷转移来实现电能的输出。单电极摩擦发电机自从被发明以来在收集能量和自驱动传感方面都有其本身巨大的应用优势。

如图4所示，在起始状态，铝表面和聚四氟乙烯薄膜表面紧密互相接触，由于在摩擦序列中所处的位置不同，二者的紧密接触会导致铝的电子被注入到聚四氟乙烯表面。由于聚四氟乙烯绝缘的特性，其表面产生的负电荷可以被保留很长一段时间。一旦表面带负电的聚四氟乙烯薄膜相对于铝电极开始向外滑動，铝电极上被诱导出的电荷将会减少，这就导致了电子从地电极流向了铝电极，产生了一个正向的电流信号。当聚四氟乙烯薄膜完全滑出了铝电极，也就是2块带电的表面完全分离开来，将会达到一个平衡态，这时没有电流产生。当上部的聚四氟乙烯薄膜重新滑向铝电极时，铝电极上被诱导出的正电荷增加，驱动电子从铝电极流向地电极，产生了一个负向的电流信号。这个过程将会持续到聚四氟乙烯薄膜与铝电极完全紧密接触，也就是二者所带的电荷互相完全屏蔽，再次达到一个平衡状态。这就是单电极式摩擦发电机工作过程的整个循环，可以看出一个循环运动产生的一个正向和一个负向电流信号，也就是交流电。

（4）独立式

独立式摩擦发电机是摩擦发电机的第4种工作模式，其实也是前2种工作模式的延伸。在此工作模式被发展出以前，摩擦层之一都要被连接在一个移动的物体上或者作为机械能的来源。这种器件设置方式很大的限制了发电机在收集轨道状移动物体或者人们走路时能量方面的通用性和适应性。而独立式发电机这种模式就可以在这些方面有所作为。

这里以介电薄膜-导体为例来说明独立式摩擦发电机的工作原理。如图5所示，当氟化乙丙烯（FEP）薄膜在紧密接触的情况下沿铝电极滑动时，摩擦起电效应将会使FEP薄膜表面带正电荷，Al电极表面带正电荷。当FEP薄膜和铝电极原来并不带电的情况下，所有的电荷都是由于二者之间的物理接触引起的摩擦起电带来的，所以FEP薄膜上带的负电荷理论上应该与铝电极上带的正电荷等量。FEP薄膜与左边的第一个铝电极互相正好覆盖时，所有的正电荷将被吸引到左边电极的上表面上，当FEP薄膜向着第二个铝电极滑动的时候，回路中的正电荷将由左电极流向右电极，已屏蔽右电极上部介电薄膜上负电荷引起的电场，这就是电能产生过程中的半个循环。当FEP薄膜到达与右电极互相正好覆盖的位置时，所有的正电荷都留在了右电极上。随后，FEP薄膜往左电极滑动时，正电荷将由右电极流向左电极，在回路中形成一个与前半个循环的方向相反的电流。这就是电能产生过程的下半个循环。

五、基于摩擦发电机的传感器

1.磁力传感器

磁传感器通常基于霍尔效应和磁阻传感机制，Ya Yang等人研制了纳米发电机可以作为磁传感器，探测随时间变化磁场的振动。发现传感器的输出电压随磁场增而剧烈增加。探测磁场的变化和变化率的灵敏度分别达到0.0363±0.0004ln（mV）/G和 0.0497±0.0006ln（mV）/（G/s）。传感器的响应时间和恢复时间分别0.13s和0.34s。制造传感器的分辨率是3G，并且可以在低0.4Hz下工作。

2.UV探测器

Zhonhong Lin等人设计出一种基于摩擦纳米发电机的UV探测器，3D枝状TiO2纳米结构既作为内置UV探测器，有作为TENG的接触材料。低成本、稳定性好TENG基UV探测器拥有优越的光电相应特性，包括超过280A/W相应速率，28ms的上升时间，31ms的衰退时间，光密度探测范围从20μW/cm2到7μW/cm2。

3.汞离子探测器

汞离子就可以通过摩擦发电机来实现对其探测。第1步是通过对金属电极修饰金纳米颗粒，这可以提高发电机的性能。进一步对金颗粒上修饰3-巯基丙酸，高输出的摩擦发电机可以作为高灵敏和高选择性的汞离子纳米传感器。通过与5mM汞离子的交互作用，发电机的输出从63mA/cm2下降到8mA/cm2。这是由于吸附的分子种类改变了摩擦行为，实现了对汞离子的探测。

六、结语

摩擦起电是最古老的科学研究领域之一，2 500多年前，古希腊哲学家Thales做了用毛皮摩擦琥珀的实验，这可以说是最古老的关于静电的实验。从此以后，摩擦起电成为了最普遍的科学现象，摩擦发电机的第1个应用目标就是为小型电子器件供电，也就是先从环境中俘获能量进而为别的电子器件供电。使用上述提到的发电机的4种工作模式或者他们之间的结合，摩擦发电机传感器在未来可以收集很多种环境中的能量，例如，人行走时产生的振动能、机械振动能、声能和水能等等能量，并且在很多自然和技术领域产生了非常重要的影响。