摩擦电荷存储新思路！中科院兰化所王道爱研究员团队最新AM：通过界面构建载流子深陷阱增加摩擦电荷的存储

摩擦纳米发电机（TENG）的摩擦层受到界面电荷快速耗散的限制，导致电输出性能相对较低，这阻碍了其进一步的应用。目前为止，主流的解决方案是提高摩擦层的介电性能以增强摩擦电荷的存储能力，减少电荷耗散。然而，随着介电常数的升高，高介电损耗降低了摩擦电荷的有效利用率。因此，为了减少摩擦电荷损失，同时保持能量转换效率，必须研究新颖且可扩展的电荷存储技术。

在此背景下，中科院兰州化物所王道爱研究员与新加坡科技研究局Zibiao Li教授合作提出了一种通过界面构建载流子深陷阱降低摩擦电荷耗散的新思路。研究者通过分子自组装技术将KH556分子接枝到PET织物表面，在界面处构建了诸多载流子深陷阱，用于捕获摩擦层在摩擦起电过程中产生的电荷，降低电荷耗散率。研究结果显示，载流子深陷阱的构建使得摩擦电荷的耗散率降低了86%，并将TENG的电输出提高了5倍！该工作以题为“Revamping Triboelectric Output by Deep Trap Construction”的论文发表在最新一期《Advanced Materials》上。

载流子深陷阱的构建思路

作者以纯PET作为对照，探究了KH556@PET材料的带隙变化和载流子深陷阱的费米能级。研究发现，与PET相比，KH556@PET在分子界面处出现了载流子深陷阱，并且其具有更大的费米能级，能够存储更多的摩擦电荷。通过DoS研究发现，KH556分子具有较大的能隙，使其适合作为构建载流子深陷阱的分子。

图1. 在 PET 织物中构建深层陷阱的策略

载流子深陷阱的表征

随后，作者对KH556@PET的缺陷态进行了表征和量化，以验证深陷阱的有效构建。首先，KH556@PET的XRD衍射峰向高角度的偏移表明缺陷态的增加，可能的原因是KH556分子引起的PET分子无序排列增加所致。接下来，使用 13C 固态核磁共振 (NMR) 对这些缺陷进行量化。与纯PET的亚甲基吸收峰的化学位移相比，KH556@PET的亚甲基吸收峰的化学位移低，表明这是KH556的接枝位点，这与深陷阱分布一致。亚甲基吸收峰归一化积分的差值和缺陷率计算结果发现，深陷阱分布为6.79%。此外，通过更加精确的手段对载流子深陷阱进行了进一步探究。飞行时间（ToF）方法测量结果表明，KH556@PET含有更多阻碍载流子迁移的陷阱，而热刺激电流（TSC）和暗电导率的测试结果进一步证明了这一结果。

图2. KH556@PET载流子深陷阱的表征

摩擦电耗散和存储特性

电荷耗散过程在很大程度上取决于捕获和去捕获动力学。等温表面电势衰减模型用于量化电子和空穴陷阱的能量分布，以便深入了解样品的表面陷阱状态。结果发现，无论正电荷还是负电荷，KH556@PET 均表现出较低的电荷耗散率。与纯PET薄膜相比，KH556@PET薄膜的电子深陷阱密度增加了两个数量级。此外，正电晕充电-放电的电荷分布测试结果表明，KH556@PET的电荷的耗散率得到极大的改善。

图3. KH556@PET的摩擦电耗散和存储特性

KH556@PET基TENG的应用

最后，该织物TENG被用于物联网可穿戴电子设备的电源模块。作者为了演示TENG设备驱动机器人的能力，将该设备集成到“2*2”阵列传感器网络中，其中4个单元代表前、后、左、右。定制的物联网模块由信号处理电路、无线传输模块、带有嵌入式模数（ADC）转换器的微控制器单元（MCU）组成。由于 TENG 单元是高电阻元件，因此相邻 TENG 单元的串扰仍然是控制阵列的巨大挑战。在这项工作中，作者设计了四个并行信号处理电路，可以极大地消除相邻TENG单元的串扰，提高信号的稳定性和驱动能力。4个通道产生的脉冲控制信号没有串扰，从而可以实现TENG对机器人的稳定控制。

图4. 基于KH556@PET基TENG在物联网中的应用

小结

总之，通过操纵摩擦层中的陷阱分布，作者提出了一种抑制摩擦电荷耗散的新策略，以提高 TENG 的电输出。受益于KH556的高能隙，将KH556引入PET中可以在分子界面建立稳定且均匀分布的深陷阱。深陷阱可以有效捕获摩擦电荷，使其难以逃逸，从而显着增加摩擦层的摩擦电荷密度。这项研究概述了一种快速有效的方法来构建具有高性能的 TENG，从而促进了 TENG 在实际物联网应用中的使用。

来源：高分子科学前沿

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