厦门大学蔡端俊教授团队在柔性透明可穿戴纳米发电纸方面取得重要进展

研究背景：

经过漫长的研究历程，ZnO纳米压电纳米发电机（PENG）已经从一个科学的概念转变为真正可用的器件。ZnO纳米阵列的规则高质量生长和介电层作用，一直是决定PENG性能的关键因素。原则上，减小PENG中绝缘层的厚度可以增强PENG的输出性能，但是研究者们非常好奇当绝缘层无限降低至原子厚度极限时，器件会发生怎么样的变化？

成果掠影：

近日，厦门大学蔡端俊教授、康俊勇教授、陈小红副教授在Nano Energy期刊发表了题为“Vertically Aligned ZnO Nanoarray Directly Orientated on Cu Paper by h-BN Monolayer for Flexible and Transparent Piezoelectric Nanogenerator”的最新研究成果论文。针对多晶柔性衬底的半导体晶体生长难题，该论文提出以二维h-BN原子层薄膜作为范德华预导向层，利用h-BN的原子级光滑、无悬挂键表面，以及六角晶格特性，实现了直接在多晶Cu纸表面诱导高取向一致性的垂直一维ZnO纳米柱阵列。阐明h-BN预导向ZnO纳米柱阵列的成核、导向和应力释放机制，为h-BN以及其它二维材料的预导向层应用提供了理论支撑和技术参考。同时，设计了新型h-BN/ZnO纳米柱/h-BN三明治结构和肖特基介电式界面，首次实现柔性、透明压电纳米发电机薄膜器件，将介电层厚度推进到了原子单层极限，获得高发电功率密度（169 mW/cm²），并成功应用在了人体运动机械能（如行走、跑步）收集发电和智能随身充电器，展示了柔性透明压电纳米发电机在未来可穿戴、自供能电子器件中的巨大潜力。

核心创新点：

蔡端俊课题组针对多晶、非晶衬底上晶体难以生长的共性难题，基于二维h-BN材料范德华弱作用力表面和六方晶格特性，提出范德华预导向层概念，并实现了在柔性多晶Cu纸表面直接诱导生长了超长、取向一致的ZnO纳米柱阵列，长度达75 μm、直径550 nm。提出衬底圈卷技术，获得超大面积（> 25英寸）单原子层h-BN薄膜生长。设计了h-BN/ZnO纳米柱/h-BN三明治结构，研发肖特基介电式的柔性透明压电纳米发电机。从理论上阐明，界面电容与介电层厚度呈指数反比快速增加的物理规律，并在国际上首次将介电层厚度推进到了单原子层极限，获得电容极值。同时结合Cu纳米线网络的柔性透明电极技术，制备了全透明的柔性纳米发电机，符合可穿戴应用需求。该发电机利用了h-BN单原子层的超薄和高势垒有效抑制了压电纳米发电机中自由载流子的移动，提高了感应输出电能，界面电容达到了0.1 mF，开路电压达5 V，短路电流约为18 μA，最大输出电功率密度高达169 mW/cm²。最后，该纳米发电纸器件集成至运动鞋垫，成功地应用到了人体运动机械能（如行走、跑步）收集发电，展现出良好的稳定性，并获得智能随身充电器，未来可以人体自身作为智能电子产品的“充电宝”。展示了在未来自供能、可穿戴设备领域的应用潜力和巨大市场。

数据概览：

图1 （a）多齿石英叉示意图，插图为圈卷在石英叉上的Cu纸，（b）Cu纸上的h-BN的SEM图，（c）转移到SiO₂/Si衬底上的h-BN的SEM图，（d）h-BN的拉曼光谱，（e）h-BN的AFM表征图，（f）h-BN的TEM图，（g）h-BN的高倍HRTEM。

图2 （a）LPCVD装置示意图，（b）在h-BN/Cu纸上生长的ZnO纳米柱阵列，（c）Cu纸的EBSD图，在（d）没有h-BN的Cu纸和（e）有h-BN的Cu纸上生长的ZnO纳米柱阵列，（e）ZnO纳米柱阵列在有h-BN的Cu纸上的生长过程。

图3 （a）ZnO纳米柱阵列高倍SEM图，ZnO纳米柱阵列的（b）直径分布和（c）角度分布，ZnO纳米柱的（d）TEM图、（e）HRTEM图、（f）SAED图，（g）超长ZnO纳米柱阵列的SEM图，（h）移除ZnO纳米柱阵列后的h-BN SEM图，（i）ZnO纳米柱阵列的拉曼光谱图。

图4 （a）透明柔性PENG的制备示意图，Cu纳米线透明电极的（b）柔性、（c）透明性和（d）导电性，（e）退火温度对Cu纳米线透明电极导电性的影响，（f）Cu纳米线/PET透明电极的SEM图，（g）ZnO纳米柱阵列上的Cu纳米线网络，（h）Cu纳米线和PENG的透过率，柔性透明PENG产生的（i）开路电压和（j）短路电流。

图5 （a）h-BN/ZnO纳米柱/h-BN柔性PENG的制备流程图,（d）h-BN作为介电层时PENG的理论电容值，（c-d）旋涂PMMA后的ZnO纳米柱/h-BN/Cu纸的SEM图，（e）PENG的截面SEM图，h-BN/ZnO纳米柱阵列/h-BN结构的PENG产生的开路电压（f）和短路电流（g），（h-i）PENG用于收集运动机械能的实物图

图6 （a-c）三明治结构的PENG的工作原理图，（d）肖特基结构的PENG的工作原理图，（e）未来PENG的使用前景构想。

论文信息：

Guozhen Liu, Yan Tang, Abdul Majid Soomro, Peng Shen, Shiqiang Lu, Yehang Cai, Hao Wang, Qianyi Yang, Han Chen, Yingbing Shi, Chun Lin, Feiya Xu, Fuchun Xu, Zhiming Wu, Xiaohong Chen*, Duanjun Cai*, Junyong Kang. “Vertically Aligned ZnO Nanoarray Directly Orientated on Cu Paper by h-BN Monolayer for Flexible and Transparent Piezoelectric Nanogenerator”,Nano Energy, 109, 108265 (2023). DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108265

该论文工作以厦门大学作为第一单位完成，刘国振博士为第一作者、博士生唐燕为共同第一作者，蔡端俊教授、陈小红副教授为论文的通讯作者。该项目获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省滚球体育 计划等项目的资助。

论文连接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108265

本文由作者供稿