杨诚&王中林 Nature Communications：你测量到的“压电”信号有多少来自压电效应呢？

一、【研究背景】

接触带电 (CE) 作为一种普遍的电子转移现象，可以在处于不同物理状态（固体、液体和气体）的任何材料之间发生。在两种材料反复接触和分离过程中，它常与静电感应耦合产生电信号，这也是摩擦纳米发电机TENG的工作原理。此前，有研究证实CE 能以多种运动形式发生在压电器件PENG中，包括界面剪切摩擦、纳米填料滑移、预先存在的静电荷和接触摩擦。接触物体和压电器件产生的摩擦电信号可能很强，从而使得压电器件的输出中含有较大比例的摩擦电成分。然而，以往很多工作忽略了这部分摩擦电信号的贡献，将压电器件的输出视为单一的压电信号，导致其性能可能被夸大。此前，由于缺乏可靠的方法来区分压电信号和摩擦电信号的占比，阻碍了我们揭示摩擦电信号的影响和评估压电效应的真实贡献，从而导致对压电性能的评估不正确。更具体地说，由于TENG和PENG具有相同的电输出，包括电压、电流和电荷，传统的电信号分析无法识别它们在混合输出中的各自部分。因此，开发一种从“压电”信号中识别和提取压电分量的方法对于定量评估压电材料的性能尤为重要。

二、【成果简介】

近日，清华大学深圳国际研究生院杨诚副教授与中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作在NatureCommunications上发表了题为“A Method for Quantitatively Separating the Piezoelectric Component from the as-received "Piezoelectric" Signal”的文章。清华大学深圳国际研究生院硕士生陈超杰为第一作者。

该研究以常见的商用PVDF压电器件为模型对象，发现混合输出中的摩擦电信号所占比例较大，对器件压电性能的评估影响较大。该文创新性地引入器件的受力-时间曲线作为解耦摩擦电信号和压电信号的手段，可完整地分离出压电信号和摩擦电信号各自的分量。通过比较力-时间和电信号曲线发现，在器件与物体接触前后，记录的电信号属于摩擦电贡献，而相互接触之后得到的电信号则归因于压电效应。进一步地，作者成功地从混合信号输出中定量提取出了压电电荷转移并计算出有效压电系数（d₃₃），该结果与其他方法测量的结果一致。因此，通过引入器件的受力曲线，我们可以清晰地分离混合信号，并且精度仅取决于力信号和电信号的分辨率。这项工作提供了一种在实际测量中阐明真实压电性能的有效方法，这对于公平且正确地评估压电材料至关重要。同时，该工作阐明了摩擦电信号和压电信号的耦合方式，为科学地设计和分析摩擦电-压电纳米发电机提供了理论支撑。

三、【图文导读】

要点1：从理论角度分析了摩擦电信号和压电信号的形成过程

图1 SE-TENG和PENG同时存在于压电器件的使用过程，但二者产生的信号在时间上存在差异。

要点2：使用PI代替PVDF，验证了器件与接触物体间的摩擦起电过程。

图2在压缩测试中验证 SE-TENG 的存在。

要点3：引入器件的受力曲线，成功区分了单一摩擦电信号和单一压电信号。摩擦电信号与力信号存在相位差，压电信号与力信号在时域上保持一致。

图 3 利用加载力信号区分单一摩擦电信号和单一压电信号。

要点4：控制压电信号方向与摩擦电信号方向相反，在混合输出中观察到了拐点Ⅱ和Ⅴ，它们分别与力信号的起始点和终点相对应。这说明了Ⅱ是压电信号的起始点，Ⅴ压电信号的终点，证明了摩擦电信号和压电信号在时域上的相互独立性。

图4 PVDF基器件在负极化方向上产生的摩擦电-压电混合输出。

要点5：使用平衡分析法CBA和直接提取法DE从混合输出中提取出有效压电电荷转移，并计算出有效压电系数。上述结果与屏蔽法OS得到的结果保持一致，例证了从混合输出中直接提取压电分量并进行压电性能评估的可行性。

图 5 通过从混合输出中提取压电电荷转移来评估 PVDF 薄膜的压电性能。

四、【作者简介】

王中林院士，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长，科思技术研究院（温州）院长，佐治亚理工学院终身校董事讲席教授。王教授是2019年爱因斯坦世界科学奖(Albert Einstein World Award of Science)、2018年埃尼奖 (ENI award – The “Nobel prize”for Energy)、2015年汤森路透引文桂冠奖、2014年美国物理学会James C. McGroddy新材料奖和2011年美国材料学会奖章(MRS Medal)等国际大奖得主。他是中科院外籍院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院外籍院士，国际纳米能源领域著名刊物 Nano Energy （最新IF：17.88）的创刊主编和现任主编。

王院士是纳米能源研究领域的奠基人。他发明了压电纳米发电机和摩擦纳米发电机，首次提出自驱动系统和蓝色能源的原创大概念，将纳米能源定义为“新时代的能源”。王中林院士开创了压电电子学和压电光电子学两大学科，他提出的原创新物理效应引领了第三代半导体纳米材料的基础研究，使氧化锌纳米结构成为与碳纳米管和硅纳米线同等重要的一类材料研究体系。根据Google Scholar，王中林教授论文引用超29万次，标志影响力的H指数是261，目前在全球材料科学总引用数和H指数排名世界第一; 世界横跨所有领域前10万科学家终身科学影响力排第5名，2019年年度科学影响力排第1名。

杨诚，清华大学深圳国际研究生院博士生导师，广东省创新团队核心成员、广东省本土创新团队核心成员、深圳市盖姆石墨烯诺奖实验室核心成员、“日内瓦国际发明奖”金奖获得者、“中国发明创新奖”金奖获得者、“中国产学研合作创新成果奖”银奖获得者、滚球体育 部某高端专家引进计划获得者、广东省“青年滚球体育 奖”获得者、广东省“杰出青年科学基金”获得者、香港科学会“香港青年科学家奖”获得者、《科学中国人》杂志“年度人物”、清华大学“学术新人奖”获得者、清华大学“优秀博士学位论文指导老师”、深圳市海外高层次人才、南山区“成长之星”技术创新基金获得者。在电子以及储能元器件领域取得多项领导性成果，在Chem. Rev., Adv. Mater.，Nat. Commun.等期刊发表学术论文100多篇，获得中美专利授权40多项，多项成果已实现产业化。

五、【文章链接】

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29087-w

本文由作者供稿。