摩擦起电（科学上称为接触起电）是日常生活中常见的现象，然而其机理目前还不清楚。由于摩擦起电会引起爆炸，一直以来都被认为是一种负面效应。2012年，王中林院士利用摩擦产生的静电荷与静电感应，实现机械能与电能之间的转化，发明了摩擦纳米发电机。由于摩擦纳米发电机在分散式能源搜集以及自驱动系统等应用中有明显优势，引起了广泛关注，迅速发展成能源领域的一大研究热点。这也使得摩擦起电这个古老的科学问题重新受到关注。2600年来，人们对接触起电机理的讨论都围绕着一个主题展开，即接触起电中的载流子是电子还是离子。两种金属之间的电荷转移被认为是由金属功函数的不同导致的电子转移引起的。当涉及到绝缘体的接触起电时，一部分研究者认为在绝缘体表面态中电子是载流子，有的研究者则认为绝缘体的接触起电是由吸附在绝缘体表面的离子转移引起的。
针对接触起电的载流子问题，王中林院士领导的由林世权博士和许程博士等组成的课题组通过温度效应（Adv. Mater. 2018, 30, 1706790. Adv. Mater. 2019, 31, 1808197.）和光电发射效应（Adv. Mater. 2019, 31, 1901418.）等证明了固体和固体之间的接触起电是由电子转移导致的，并提出了电子云重叠模型来解释普遍的接触起电现象。进一步，王中林院士课题组利用原子力显微镜研究了探针和样品之间的相互作用和电子转移之间的关系，并讨论了温度和电场对电子转移的影响。发现只有当探针和样品作用在斥力区时才会发生电子转移，而作用在引力区时则无法发生电子转移。同样的，接触起电中的温度效应只有当探针和样品处在斥力区时才能体现出来。这些结果为接触起电的电子转移提供了更多的证据，同时说明只有当两个原子的电子云发生高度重叠时，两个原子之间才会发生电子转移，验证了接触起电的电子云重叠模型的正确性。相应的，接触起电过程中两个属于不同材料表面的原子在应力作用下由于电子云重叠所导致的电子转移，从而引起接触起电的效应. 为了方便描述，这种电子转移过程被命名为王氏跃迁（Wang transition）。相关结果发表在Advanced Functional Materials (https://doi.org/10.1002/adfm.201909724 )上。
图一：在外力作用下，分别属于两个材料表面的两个原子由于电子云高度重叠而导致的界面电子转移（简称王氏跃迁Wang transition)）是接触起电现象的基本物理机制。
根据原子间相互作用曲线，当原子力探针逐渐靠近样品时，探针首先会受到样品的吸引力。随着探针继续接近样品，探针受到的吸引力会减小。当探针与样品足够接近时探针与样品之间的相互作用力从引力转变为斥力。使用原子力的轻敲模式，通过调节轻敲时的自由振幅和扫描时的设定振幅则能够控制探针所处的力相互作用区。而通过轻敲过程中的相位变化能够反应探针与样品所处的相互作用力区域。该研究团队发现如果没有温度差和电场的作用，探针和样品之间的电子转移只有当探针和样品处在斥力区时才会发生。这说明只有当两个表面的原子足够接近，乃至两个表面的原子的电子云发生重叠时，电子才会在两个表面的原子之间发生迁移。在探针和样品之间施加温度差，发现只有当探针和样品处在斥力区时，温度差对接触电子转移的影响才会凸显出来，这是由于所施加的温度差太小（120 K），温度差所带来的电子能量差不足以克服两个表面的原子之间的势垒。因此还是需要两个表面原子的电子云重叠，来减小势垒，产生电子跃迁。但是，如果在两个表面之间施加足够大的电场，电场能够使表面原子的势垒厚度减小，使原子中的电子发生遂穿，从一个表面转移到另一个表面上，此时，电子云的重叠不再是电子转移的必要条件。总而言之，电子云的重叠能够降低两个表面电子转移的势垒，促进电子的跃迁。文章奠定了两个原子由于电子云高度重叠所导致的界面电子转移的模型，为接触起电现象夯实了基本物理机制。
来源 北京纳米能源所
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