ACS Nano：掩模反应离子刻蚀制备由化学基团构成栅格结构的滑移式摩擦纳米发电机

【引言】

能量储存和环境污染是人类生存和发展的两大主题，这促进了研究人员对可持续能源的研究。最近，摩擦纳米发电机（TENG）的出现引起了越来越多的关注。TENG通过收集我们身边易于忽视的机械能，如人行走产生的能量、风能以及海洋中的波浪能，将其转化为电能给电子器件持续的供能。相比电磁感应发电机，TENG具有转化效率高、成本低、稳定性好等优点。TENG有面内滑移式、接触分离式、单电极式和独立摩擦层式四种基本结构。就滑移式摩擦纳米发电机而言，可以发展为带有栅格结构的滑移式发电机，用作为运动传感器、速度传感器、加速度传感器等等，是一种非常有前景的结构。但是这种带有栅格的滑移式发电机，其凹凸结构很容易遭到磨损，进而降低了发电机的服役周期。为解决这一问题，研究人员发明了一种由化学基团构成栅格结构的滑移式摩擦纳米发电机（S-TENG-CGG），大大的减少了滑移过程中的磨损。

【成果简介】

近日，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授和杜祖亮教授，佐治亚理工学院材料科学与工程学院王中林院士（共同通讯作者）研究小组通过掩模反应离子刻蚀（RIE）制备了由化学基团构成栅格结构的滑移式摩擦纳米发电机。该发电机0.3m/s的滑移速度下，产生的功率达6.8mW/m2且能持续120000个周期，产生的能量经过整流可以直接供计算器使用。该成果以“A Sliding-Mode Triboelectric Nanogenerator with Chemical Group Grated Structure by Shadow Mask Reactive Ion Etching”为题发表在ACS Nano上。

【图文导读】

图1. 反应离子刻蚀过程和发电机的工作机理

（a）（Ⅰ-Ⅱ）反应离子刻蚀过程示意图，（Ⅲ-Ⅳ）由化学基团构成栅格结构的滑移式摩擦纳米发电机的制备过程；

（b）反应离子刻蚀过程的截面图；

（c）由化学基团构成栅格结构的滑移式摩擦纳米发电机的工作机理。

图2. 接触式发电机的电学性能表征

（a）经过RIE刻蚀后，接触式摩擦纳米发电机的转移电荷；

（b）未经过RIE刻蚀，接触式摩擦纳米发电机的转移电荷；

（c）经过RIE刻蚀后，接触式摩擦纳米发电机的开路电压；

（d）未经过RIE刻蚀，接触式摩擦纳米发电机的开路电压。

图3. 不同栅格结构S-TENG-CGG的电学性能测量

（a）不同栅格间隙S-TENG-CGG的转移电荷；

（b）不同栅格间隙S-TENG-CGG的积累电荷；

（c）不同栅格间隙S-TENG-CGG的开路电压。

图4. 不同栅格间隙S-TENG-CGG的电流密度

（a）700mm的栅格间隙下，具有不同速度S-TENG-CGG的电流密度；

（b）500mm的栅格间隙下，具有不同速度S-TENG-CGG的电流密度；

（c）300mm的栅格间隙下，具有不同速度S-TENG-CGG的电流密度。

图5.不同栅格间隙S-TENG-CGG给电容的充电曲线

（a）700mm的栅格间隙下，S-TENG-CGG给电容充电的电压曲线；

（b）500mm的栅格间隙下，S-TENG-CGG给电容充电的电压曲线；

（c）300mm的栅格间隙下，S-TENG-CGG给电容充电的电压曲线。

图6. S-TENG-CGG的应用和服役周期

（a）S-TENG-CGG的电流密度、电压和负载电阻的关系；

（b）S-TENG-CGG的功率密度和负载电阻的关系；

（c）S-TENG-CGG的开始输出电流密度和8个月后的电流密度；

（d）S-TENG-CGG给计算器供能；

（e）S-TENG-CGG的服役性能测试，插图（Ⅰ）和（Ⅳ）分别是经120000周期前、后的电镜图，（Ⅱ）和（Ⅲ）分别是经RIE处理部分和未经RIE处理部分的电镜图。

【小结】

该团队通过掩模反应离子刻蚀制备了由化学基团构成栅格结构的滑移式摩擦纳米发电机。这种发电机由于没有凹凸结构,大大减少了摩擦阻力和材料的磨损，提高了滑移式摩擦纳米发电机的稳定性，同时也延长了发电机的使用寿命。这为提高发电机的服役周期提供了一种可借鉴的方法。

文献链接：Shang W, Gu G Q, Yang F, et al. A Sliding Mode Triboelectric Nanogenerator with Chemical Group Grated Structure by Shadow Mask Reactive Ion Etching[J]. ACS nano, 2017.

本文由材料人编辑部高放编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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