加拿大阿爾伯塔大學Nano Energy：基於量子隧穿效應的直流摩擦發電新機制

【引言】

機械能-電能轉換技術被認為具有廣泛的運用前景，特別在微型化感測器、可穿戴電子器件及攜帶型設備的自供電方面有著巨大的市場潛力。其中，摩擦納米發電技術（TENG）取得了令人矚目的發展。傳統的摩擦納米發電技術基於介電材料之間的摩擦起電（contact electrification），往往能夠獲得高電壓（靜電荷積累）。然而由於常用聚合物材料的高阻抗，基於介電質位移電流（dielectric displacement current）原理產生的瞬時電流往往非常微弱。同時，其產生的交流電必須通過整流轉換為直流電加以利用。

【成果介紹】

2017年，加拿大阿爾伯塔大學（University of Alberta）加拿大首席傑出科學家（Canada Excellent Research Chair），國家「外專千人計劃」專家Thomas Thundat 教授課題組博士生Jun Liu（劉駿）在一次偶然的導電原子力顯微鏡（C-AFM）實驗中，發現在金屬-二維半導體材料摩擦體系中存在一種特殊的連續直流電生成現象（J. Liu, et al. Nature nanotechnology 13 (2), 112）。近日，劉駿博士等人通過原子層沉積技術（ALD）對界面氧化層厚度的精確調控，發現了直流電流隨金屬-絕緣體-半導體摩擦體系中絕緣體厚度的指數衰減關係，驗證了摩擦直流電的量子隧穿機制。基於這一發現，他們在宏觀體系中成功驗證了硅基材料的直流發電機雛形，硅材料表面1-2 納米的氧化薄層提供了一個天然的電子隧穿通道，其連續直流電流密度高達10 A/m2。該項成果以題為「Sustained electron tunneling at unbiased metal-insulator-semiconductor triboelectric contacts」在線發表在Nano Energy。合作單位有阿爾伯塔大學材料系系主任Ken Cadien教授課題組，韓國Sogang大學Jungchul Lee教授課題組，以及上海交通大學「千人計劃」專家胡志宇教授課題組。

【圖文導讀】

圖1摩擦直流電的電流輸出特徵

(a) 導電原子力顯微鏡（C-AFM）原理示意圖

(b) p型硅樣品的摩擦直流電C-AFM輸出信號（探針作用力對電流輸出影響）

(c) 探針作用力對探針-樣品接觸面積和形變影響

(d) 有效氧化層厚度對C-AFM電流輸出值的影響

(e) 宏觀體系測試示意圖，演示用探針為萬用表探針

(f) 和 (g) 分別為往複摩擦和連續旋轉摩擦示意圖

(h) 和 (i) 分別為往複摩擦和連續旋轉摩擦條件下的短路電流輸出信號

(j) Si表面氧化層厚度對輸出電流的影響，其指數型衰減趨勢與電子的量子隧穿機理一致

圖2摩擦直流電的電壓輸出特徵

(a) 和 (b) 分別為往複摩擦和連續旋轉摩擦條件下的開路電壓輸出信號

(c) 和 (d) 分別為摩擦（非平衡）和靜止（平衡）狀態下的界面能帶圖

(e) C-AFM體系中外加偏壓對輸出電流的影響

(f) Si表面氧化層厚度對開路電壓和界面電場的影響

圖3金屬功函數對界面電勢差方向的影響

(a)-(c) 分別為銅、金、鋁材料探針對摩擦界面電勢差方向的影響

圖4硅基摩擦直流電機雛形的性能表徵

(a) 單針摩擦系統在不同負載下的電流電壓輸出

(b) 單針摩擦系統在不同負載下的電流密度和功率密度輸出

(c) 單針系統在硅材料上產生的摩擦直流電對電容器進行充電

【小結】

金屬-絕緣體-半導體摩擦系統中基於量子隧穿效應直流電效應的發現，為摩擦電的利用打開了新思路，對摩擦界面的基礎物理有了更加深入的探索。利用其原理進行規模化探索具有巨大的運用前景。

文章鏈接：Sustained electron tunneling at unbiased metal-insulator-semiconductor triboelectric contacts (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.03.068)

Thomas Thundat教授簡介：

Thomas Thundat教授是加拿大阿爾伯塔大學教授，加拿大傑出首席科學家（Canada Excellent Research Chair），兼任美國紐約州立大學布法羅分校「帝國創新教授」（Professor of Empire Innovation），中國「外專千人」計劃專家。直至2010年，他是美國橡樹嶺國家實驗室研究員、納米科學和器件研究課題組負責人，同時擔任田納西大學研究教授、法國勃艮第大學客座教授、印度理工學院傑出教授、印度班加羅爾理工學院百周年教授。他於1987年在紐約州立大學獲得物理學博士，曾發表400餘篇學術論文、80餘部書籍章節/會議論文和40項專利。 Thundat博士曾獲眾多獎項，包括美國能源部的青年科學家獎，R&D 100獎，ASME先鋒獎，發現雜誌獎，FLC獎，科學美國50獎，Jess Beams獎，納米50獎，Battelle傑出發明人獎，以及許多ORNL獎項（發明，出版和研究與開發）。Thundat博士是美國物理學會、電化學學會、美國科學促進協會、美國機械工程師協會、美國醫學和生物工程研究所和國家發明家學院會士。Thundat博士是微機械懸臂樑感測器的奠基人之一，主要研究工作集中在基於微機械感測器的物理、化學和生物感測技術，能量轉換、存儲和傳輸的新方法。專長包括物理和界面化學，生物物理學，固液界面，掃描探針顯微鏡，納米級現象和量子限制原子效應。

本文由加拿大阿爾伯塔大學Thomas Thundat 教授課題組供稿。

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