韓昌報， 王嫚琪， 黃建華， 鄭嘉煜， 趙文康， 張 浩， 張永哲

(1.北京工業(yè)大學材料科學與工程學院， 北京 100124； 2.新型功能材料教育部重點實驗室， 北京 100124；3.固體微結(jié)構(gòu)與性能北京市重點實驗室， 北京 100124；4.湖南石油化工職業(yè)技術(shù)學院信息資源中心， 湖南 岳陽 414011)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會的日益進步，人們不斷地追求高質(zhì)量的生活水平，因此電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代時間越來越短. 目前，電子設(shè)備逐漸向小型化、可移動化和多功能化的趨勢發(fā)展，而以電池驅(qū)動電子設(shè)備會帶來更換頻繁、回收困難及環(huán)境污染嚴重等問題. 因此，對自供電可持續(xù)能源的需求也日益劇增. 已經(jīng)存在數(shù)千年的摩擦起電過程產(chǎn)生的靜電荷，因其容易吸引灰塵、引起放電和短路等原因一直被人們認為是一種負面效應(yīng)，所以大多數(shù)情況下通過摩擦產(chǎn)生的靜電荷是一種浪費的電能. 2012年，王中林院士及其團隊[1]首次發(fā)明了基于摩擦起電和靜電感應(yīng)耦合的摩擦納米發(fā)電(triboelectric nanogenerator，TENG)技術(shù)，它能夠收集各種形式的機械能來轉(zhuǎn)化為電能，如風能、海洋能、震動能、人體運動能等. 與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)發(fā)電技術(shù)相比，TENG具有發(fā)電電壓高、質(zhì)量輕、體積小、柔性及形狀靈活多變且兼容性高等優(yōu)點[2-6]，受到了研究者們的廣泛關(guān)注. 摩擦起電效應(yīng)是由2種極性相反或者電負性相差較大的材料相接觸所引起的電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象[7-8]. 在一種材料與另一種材料發(fā)生摩擦的過程中，因電負性不同，高電負性材料表面的原子會從低電負性材料表面奪取電子而帶上負電荷，另一材料表面帶正電荷，摩擦時所產(chǎn)生的電荷種類由2種相互接觸材料間的相對極性決定. Wang等[9]通過探究近幾年摩擦起電的研究機理得到：在機械力/壓力作用下，由于電子云重疊引起的電子轉(zhuǎn)移是固體、液體和氣體間產(chǎn)生接觸帶電的主要機制.

本文主要介紹了TENG的基本模式和原理，以及通過TENG來收集的不同形式的機械能，主要包括風能[10-12]、各種振動能[13-16]、海洋能[17-19]、人體運動能[4, 20-22]等. 然后，根據(jù)摩擦納米發(fā)電技術(shù)的特性，本文按其輸出和應(yīng)用類型分為4個方面的應(yīng)用：一是作為功率源，用于對微納器件供電；二是作為電壓源，用于空氣凈化等領(lǐng)域；三是作為信號源，用于自驅(qū)動傳感等領(lǐng)域；四是通過耦合半導體器件作為控制源使用.

1 摩擦納米發(fā)電機的基本原理與工作模式

TENG能夠?qū)⑸钪胁煌问降臋C械能轉(zhuǎn)化為動能，在微納發(fā)電、自驅(qū)動傳感、環(huán)境處理、器件性能調(diào)控等方面具有顯著優(yōu)勢，是現(xiàn)代電子器件的理想能源供給方式. 其產(chǎn)生電流的過程主要有2步：1)選擇2種不同的接觸材料，獲得表面凈電荷； 2) 凈電荷誘導產(chǎn)生變化的電場，從而驅(qū)動電子的流動，可通過麥克斯韋的位移電流證明. 研究表明，TENG有4種基本模式：垂直接觸- 分離模式、水平滑動模式、單電極模式和獨立層模式，如圖1所示. 為了提高TENG機械能向電能轉(zhuǎn)化的效率及性能，研究者們主要通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、合理的材料選擇和納米級的表面改性3種方式[23-28]：1) 一般情況下，研究者選擇材料時會選用電負性差別較大的2種材料，從而獲得相應(yīng)較大的電荷轉(zhuǎn)移量； 2) 對TENG進行表面改性是指通過光刻、蝕刻或粒子噴涂等方式在材料表面形成圓柱形、金字塔形或三角錐形等圖案，以增大摩擦層之間的接觸面積.

1.1 垂直接觸- 分離模式

此模式的TENG在上下2種材料的非接觸面上鍍有電極，用于連接負載. TENG結(jié)構(gòu)固定時，其輸出電壓和電流分別由2個摩擦層之間的分離距離和接觸或分離的速度決定，如圖2所示. 圖2(a)-Ⅰ所示為開始狀態(tài)，無電荷產(chǎn)生，兩電極間也沒有電勢差；隨著施加外力使得2種材料相接觸，由于摩擦起電效應(yīng)，在接觸部分會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移[30-32]，從而使得聚酰亞胺(kapton)表面帶負電，而聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)表面帶正電. 但是這些電荷只局限在表面，兩電極之間仍沒有電勢差存在(見圖2(a)-Ⅱ).

當施加的外力消失時，由于材料自身彈性，kapton傾向于回復到它的原始位置，使2個帶電表面發(fā)生分離[33]. 從而在開路狀態(tài)下，兩電極間形成電勢差(見圖2(a)-Ⅲ)，TENG的開路電壓持續(xù)升高，直到kapton薄膜完全回到原始位置. 此時，電壓達到最大飽和值(見圖2(a)-Ⅳ和(a)-Ⅴ). 只要測量的電表內(nèi)阻無窮大，測得的電壓信號會在最大值位置保持恒定. 若將兩電極短接(見圖2(b))，分離時電極間的電勢差會驅(qū)動電子從上電極流向下電極. 外力撤銷時，產(chǎn)生一個正向的瞬時電流. 相應(yīng)地，對TENG重新施加外力時，生成一個反向的瞬時電流(見圖2(b)-Ⅴ). 當上、下高分子材料再次接觸時，電極上所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷會在外電路中被中和.

2012年，Zhu等[33]設(shè)計了第一種基于垂直接觸- 分離模式的TENG. 他們?yōu)榱吮ＷC2個摩擦層之間的有效分離，在兩摩擦層間引入了一個間隔物，形成了空腔結(jié)構(gòu). 并通過研究發(fā)現(xiàn)選擇極性或電負性相差很大的2種材料和間隔物的高度均會提高TENG的輸出性能. 由于增加材料的表面粗糙度能夠使2種材料接觸時獲得額外的摩擦面積，產(chǎn)生更多的摩擦電荷，從而獲得更高輸出功率.

之后，Zhu等[34]通過納米顆粒物(nanoparticles,NPs)的表面修飾研發(fā)了一種新型彈簧支持的分離結(jié)構(gòu)的TENG如圖3所示.

研究表明：開路電壓為1 200 V時，單位面積功率密度與體積功率密度分別為313 W/m2、54 268 W/m3. 由于PMMA具有高強度、輕質(zhì)、容易加工、成本低廉等優(yōu)點，因此選擇其作為基底材料. 他們首先在PMMA基底頂部和底部分別鍍一層金電極(底層的金電極可同時用作底電極和摩擦層)，然后分別在底部電極上修飾得金NPs和頂部電極上方旋涂一層聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane， PDMS)，最后將2層基底通過4個彈簧連接在一起，使得接觸電極和PDMS間有一層空氣間隙. 該研究證明了利用納米發(fā)電機能夠大規(guī)模獲取機械能的實用性，如走路、滾動輪、風力和海浪等機械能.

此外，為了實現(xiàn)高的空間利用率和自供電顯示，Li等[35]基于該結(jié)構(gòu)報道了一種圓柱螺旋摩擦電納米發(fā)電機(spiral triboelectric nanogenerator，S-TENG). 結(jié)果表明：在2.5 m/s的滑動速度下，S-TENG可以產(chǎn)生的短路電流(ISC)、開路電壓(VOC)分別為30 μA和40 V. 它不僅能產(chǎn)生高功率輸出提供給顯示裝置，而且能用作集成在測量尺上的自供電位移傳感器. 因此，TENG器件在自供電測量系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景.

總結(jié)前文，上述TENG均為一層結(jié)構(gòu)，僅通過提高摩擦層的表面電荷密度很難提高輸出性能. 為了進一步提高TENG的輸出性能需要提高其有效摩擦面積. 因此，利用單一柔性基底制備的多層疊加的TENG不斷被研發(fā)出來. Bai等[36]利用堆疊多個TENG的方法，無須增大器件整體的面積，實現(xiàn)了在同等器件面積上TENG輸出功率的多重疊加，實現(xiàn)TENG輸出性能的有效提升. Chun等[37]通過表面功能化設(shè)計的互鎖陣列的TENG得到高功率輸出，同時克服了現(xiàn)有電介質(zhì)材料的局限性及其低電導率. 這為今后開發(fā)具有高電壓和機械性能的便攜式和穿戴式自供電電子設(shè)備提供了可行性路徑.

綜上所述，垂直接觸- 分離模式TENG具有工藝簡單、設(shè)計多樣、成本低廉、容易集成、瞬時輸出功率高等優(yōu)點. 這種模式的TENG通常由一個外力的沖擊來驅(qū)動. 一般TENG開路電壓的主要是由2個摩擦層之間的分離距離決定；短路電流主要由2層間接觸面積和接觸分離的速率決定.

1.2 水平滑動模式

水平滑動模式的TENG是基于與薄膜水平方向平行的外力驅(qū)動下，滑動摩擦起電和平面電荷分離的過程. 與垂直接觸- 分離模式相比，水平滑動模式在電荷分離過程不需要空氣間隙，更加利于封裝，并且可用于多種類型的觸發(fā). 根據(jù)文獻[38-41]，為了優(yōu)化輸出性能并擴大其應(yīng)用領(lǐng)域，研究者們開發(fā)了一些新型結(jié)構(gòu). 典型的水平滑動模式的TENG的原理如圖4(a)[40]. 在初始位置，2種聚合物表面完全重疊和相互緊密接觸. 由于尼龍和聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)位于摩擦電序列的兩端[42]，因而摩擦起電導致尼龍表面帶有正的凈電荷，PTFE表面帶有與其電荷密度相等的負的凈電荷. 另外，由于摩擦電荷僅分布在聚合物的表面層，且聚合物絕緣性能非常好，因此在一個周期內(nèi)電荷不會發(fā)生泄露[40]. 隨著上平板開始向外滑移，兩板間接觸面積減小，導致平面內(nèi)電荷的分離，使上平板具有更高的電勢. 從而在電勢差的驅(qū)動下，電子從下電極流向上電極. 在滑動過程中，電荷將不斷流動，使分離電荷不斷增加，直到上平板完全滑離下平板，摩擦電荷表面完全分離. 為了保持靜電平衡，當上平板重新滑回時，隨接觸面積的增加，電極板上多余的轉(zhuǎn)移電荷會促使電子通過外部負載從上電極流回下電極.

為了提高表面的摩擦電荷密度[43-44]，研究者利用等離子體刻蝕[45]對PTFE薄膜進行干法刻蝕，得到了均一的納米線結(jié)構(gòu)，平均長度約為1.5 μm，從而增加了表面粗糙度和有效表面積. 由實驗得到：TENG產(chǎn)生的JSC和VOC分別為4.1 mA/m2和1 300 V，它作為一個直接的電源，即時可驅(qū)動數(shù)百個串聯(lián)發(fā)光LED. 因此，這種模式的TENG對今后研究摩擦納米發(fā)電的商業(yè)化應(yīng)用提供了可行基礎(chǔ).

另外，Jing等[41]基于此模式通過設(shè)計一種封閉結(jié)構(gòu)式TENG，利用直接作用力或慣性力的往復運動來產(chǎn)生能量，并且依靠圓柱體滑動表面是細柵狀結(jié)構(gòu)的電極對產(chǎn)生交變電流. 實驗結(jié)果表明該TENG在140 kΩ外載上，滑動速度為1 m/s時，平均有效輸出功率為12.2 mW. 為了收集生活中旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的能量，Lin等[39]設(shè)計了一種采用分段式圓盤結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)TENG，如圖5所示. 此TENG具有更精細的分段和更大的旋轉(zhuǎn)速度，從而使電極之間通過外部電路產(chǎn)生更快和更高的連續(xù)電荷轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生高頻率的大電流輸出(轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，獲得在66.7 Hz下的電流為117.6 μA. 由于圓盤狀的TENG發(fā)電過程與摩擦電荷分離速度的大小和分離速率有關(guān)，因此研究者設(shè)計了3種TENG(見圖5(d)～(f)). 研究發(fā)現(xiàn)[39]：1) 分割模式越細使得電荷在外部負載間轉(zhuǎn)移越快，單個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)TENG的發(fā)電量越大，極大地提高了功率轉(zhuǎn)化效率； 2) 不同轉(zhuǎn)速下對TENG進行相關(guān)電學測量，得到JSC隨轉(zhuǎn)速的增加而線性增加，而VOC不受速度的影響.

以上分析表明，通過光刻蝕技術(shù)將圓盤設(shè)計成更多的柵格可以大大提高輸出電流. 并且，使用圓盤狀TENG的輸出電流的大小與轉(zhuǎn)速的線性關(guān)系可以用于有效測量旋轉(zhuǎn)圓盤結(jié)構(gòu)的角速度大小，使其在汽車制動系統(tǒng)和變速器方面具有潛在應(yīng)用. 總之，水平滑動式TENG相比較于垂直接觸- 分離模式的TENG，不需要空氣間隔將兩表面分開，有利于后續(xù)的封裝工序，并且可以在平面或旋轉(zhuǎn)滑動的模式下進行操作. 另外，還可以通過改進基本裝置結(jié)構(gòu)用于提高其輸出性能，擴展其應(yīng)用領(lǐng)域.

1.3 單電極模式

以上2種工作模式的TENG至少需要將其中一個電極連接到運動的物體上. 然而，在實際生活中，若TENG的一個接觸面是可以自由移動的，則面臨自由移動端電極導線跟著移動的情況，不利于轉(zhuǎn)動式TENG的運行. 為此，研究者們提出了2種全新的TENG工作模式：單電極TENG和獨立層TENG.

1.3.1 接觸分離單電極結(jié)構(gòu)

Meng等[46]提出了一種接觸- 分離式的單摩擦面TENG,如圖6所示.

在單電極模式下設(shè)計具有微圖案化PDMS表面的TENG，即使用手敲擊，也能獲得不錯的JSC和VOC輸出(1 μA/cm2和130 V). 他們將PDMS作為一個摩擦面，在其表面做了微尺寸的棱錐體；在酯(polyethylene terephthalate,PET)基底背面鍍了一層透明的氧化銦錫(indium tin oxid,ITO)導電電極；將Cu膜被作為參考電極. 依據(jù)不同的應(yīng)用需求，參考電極可以放在主電極的旁邊或下邊. 利用帶有微結(jié)構(gòu)的PDMS表面可以制備出具有良好的柔性和透明度的TENG器件. 發(fā)電機理如圖6(d)所示，以大地作為一參考電極，TENG上摩擦產(chǎn)生的電荷在接觸分離過程中不斷在大地和TENG之間流動，形成電流.

1.3.2 平面滑動單電極結(jié)構(gòu)

Yang等[47]報道了一種基于單電極的滑動模式TENG，如圖7所示. 他們選用PTFE和Al當作為一對摩擦層，并且Al為一個電極. 其工作機理是通過調(diào)節(jié)摩擦帶電PTFE貼片與Al基板之間的相對滑動距離，實現(xiàn)Al電極與地面之間的電荷轉(zhuǎn)移. 設(shè)計的優(yōu)點是只需要底部Al電極接地，頂部PTFE貼片不需要電接觸，有利于汽車中旋轉(zhuǎn)模式和觸控板的能量采集[47]. 此TENG也是有利于研發(fā)基于觸摸板技術(shù)的自供電位移矢量傳感器系統(tǒng). Al電極上的線性光柵可以檢測PTFE貼片當沿一個方向時的滑動速度. 這種模式的TENG的VOC高達1 100 V，峰值電流密度可高達6 mA/m2，其可以直接同時點亮上百顆LED.

綜上所述，單電極結(jié)構(gòu)只需要一個電極連接到TENG的一個摩擦層上，而另一個電極作為電勢的參考電極可以直接接地. 一般情況下這種模式的TENG的總電學輸出只有相應(yīng)的雙電極工作模式的一半，其中電荷損耗是導致輸出下降的主要原因[48]. 但是由于一個摩擦面可以自由移動，因此在自供電的傳感器方面有很廣泛的應(yīng)用，如可視化的觸摸傳感器[46,49]、速度傳感器[50]、壓力傳感器[49,51]、健康檢測傳感器[52]等等.

1.4 獨立層模式

1.4.1 滑動式獨立層結(jié)構(gòu)

獨立層模式的TENG通常包含一獨立層和一對靜止的電極. 基于接觸起電和靜電感應(yīng)，將一對對稱電極置于介電層之下，兩電極之間的獨立層移動產(chǎn)生不均勻電荷分布，誘導電子在兩電極之間移動使得局部電勢平衡. 2014年，Wang等[53]設(shè)計制作了第1種獨立層模式的TENG，即滑動式獨立層TENG. 經(jīng)數(shù)值模擬和實驗證明，這種新模式的TENG能產(chǎn)生10 kV以上的VOC，且在每次滑動中產(chǎn)生與摩擦電荷數(shù)量相等的有效電荷轉(zhuǎn)移，并且在負載條件下，一個TENG可以得到的最大功率密度為6.7 W/m2. 對于導體- 電介質(zhì)獨立層TENG，在切向力驅(qū)動下，氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene propylene,FEP)可以在兩電極間往復運動，在兩極間負載上會形成交流電[50]. 接觸模式下TENG(見圖8(b))，初始時電介質(zhì)FEP與電極間沒有電荷，所有凈電荷均由接觸后摩擦產(chǎn)生獲得相等量的正負電荷. 當FEP與第1個電極完全重合時，回路中的正電荷全被吸引到第1個電極的上表面；隨著FEP向右滑動，回路中負電荷通過負載從左電極流向右電極；當FEP與右電極重合時，所有的正電荷將流入右電極；最后FEP反方向從右邊電極向左邊電極移動(與正電荷移動方向相同)，從而形成發(fā)電過程整個周期.

對于非接觸模式下的TENG(見圖8(c))，F(xiàn)EP在摩擦之前已經(jīng)帶有電荷，當FEP與電極的垂直距離遠小于兩電極的間距時，通過FEP在兩電極之間擺動，F(xiàn)EP表面不可移動的摩擦電荷同樣可以引起一部分的電荷流動. 圖8(d)所示的是基于2種不同電介質(zhì)的摩擦起電作用：當FEP膜滑動至尼龍薄膜表面時，負電荷從尼龍表面進入FEP表面. 由于尼龍表面的正電荷一直處于靜止狀態(tài)，不能為電荷在負載上的流動提供驅(qū)動力，因此電荷流動所需驅(qū)動力全部來自于帶負電荷的FEP膜的滑動.

1.4.2 接觸式獨立層結(jié)構(gòu)

Wang等[54]隨后設(shè)計了第2種獨立層TENG，即接觸式獨立層TENG，如圖9所示. 它是基于垂直電荷分離，獨立層在兩電極之間周期性振動使電極間的電勢發(fā)生變化，從而在外接負載上產(chǎn)生電流. 此TENG是第1個基于摩擦帶電的自供電振動傳感器，可以量化振幅和頻率，當它工作在諧振頻率時，能有效地感知非常細微的振動(在實驗演示中，其振幅低到3.5 μm，電極尺寸為10 cm×10 cm，電極之間的間隙為2 cm). 在共振器與鋁盤接觸中，所有正電荷被吸引到上電極；隨后帶負電荷的共振器向下面的鋁電極運動，驅(qū)動電子從下電極流經(jīng)外接負載至上電極，產(chǎn)生一個瞬時電流. 共振器接觸到鋁板時，所有正電荷將出現(xiàn)在底部電極上；接著，共振器反向運動驅(qū)動電子通過負載產(chǎn)生第2個峰值，直至共振器回到初始位置，為一個完整的周期接觸(見圖9(d)). 這種結(jié)構(gòu)的TENG有利于收集環(huán)境中的振動能.

近年來，研究者們還對以上2種結(jié)構(gòu)的TENG進行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和通過對摩擦層進行了刻蝕納米線獲得了如柵狀電極結(jié)構(gòu)[55-56]、旋轉(zhuǎn)輪盤狀結(jié)構(gòu)[57]和徑向排列結(jié)構(gòu)[58]，實現(xiàn)更高的輸出特性. 它們的發(fā)電原理分別與其對應(yīng)的基本模式(滑動式或接觸式獨立層模式)發(fā)電原理類似. 徑向排列結(jié)構(gòu)的TENG當以3 000 r/min運行時，在匹配負載約0.8 MΩ時，獲得的TENG的最佳平均輸出功率為1.5 W，平均輸出功率密度為19 mW/cm2，證明了此TENG的輸出功率足以驅(qū)動日常使用的電子設(shè)備，并解決了摩擦起電發(fā)電概念的最關(guān)鍵問題. 并且，Tang等[59]基于徑向排列結(jié)構(gòu)，將TENG與水分解裝置耦合，研制了水分解系統(tǒng). 當TNEG紡絲速度為600 r/min時，質(zhì)量分數(shù)為30%的氫氧化鉀(KOH)溶液的產(chǎn)生氫速率為6.25×10-3mL/min；當KOH溶液被純水代替時，由于TENG的高電壓輸出，該系統(tǒng)的制氫效率甚至是由電化學工作站驅(qū)動的10 V制氫效率的4倍.

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，將獨立層模式的TENG與單電極模式的TENG相比，其相同點是均不要求將電極設(shè)計在器件的非移動部分，從而方便TENG移動部分的自由運動. 不同點是前者不受單電極模式靜電屏蔽效應(yīng)的干擾，提供的能量轉(zhuǎn)換效率更高，因此，可以提供更高的輸出功率.

1.4.3 其他結(jié)構(gòu)

大部分的TENG在相互摩擦時2種摩擦材料層之間存在薄層空氣間隙. 這層空氣間隙為1～3 μm，會影響電勢差和電荷密度，如果沒有空氣間隙，TENG輸出性能也會受影響. 空隙的出現(xiàn)會使器件的封裝出現(xiàn)問題，且限制TENG在液體環(huán)境中的應(yīng)用. Chun等[60]研發(fā)了一種利用多孔結(jié)構(gòu)中的金NPs和PDMS基底實現(xiàn)接觸和分離過程的TENG. 它利用內(nèi)部充滿金NPs的微孔洞薄膜來有效提高TENG的輸出性能，不需要上述的空氣間隙. 實驗結(jié)果表明：金納米粒子的空間分布使得制備嵌金納米粒子的介孔TENG成為可能，其在循環(huán)壓力下的高輸出功率為13 mW，與在相同機械力下的平面基TENG相比，功率提高了5倍以上.

由于大多數(shù)的TENG是基于固體材料[38,40-41]，其摩擦層之間接觸的有效性會受到兩表面間的粗糙度和匹配度的影響；同時，固體之間的摩擦將導致熱量的生成和耗散. 以上2點因素會極大地限制TENG效率的提高. 液態(tài)金屬具有電導率高、靈活性好等優(yōu)點，相比固- 固接觸、液- 固接觸會增大接觸面積，使得摩擦層接觸更加緊密且摩擦因數(shù)降低. Tang等[61]設(shè)計的新型的液態(tài)金屬基TENG(liquid-metal-based triboelectric nanogenerator，LM-TENG)，其顯示出430 μC/m2的高輸出電荷密度，是使用固體薄膜電極時的4～5倍，且功率密度可達到6.7 W/m2和133 kW/m3. TENG的發(fā)電過程如圖10(b)所示. 研究發(fā)現(xiàn)，這種TENG的輸出電荷密度超出固- 固接觸型TENG的4倍，能量轉(zhuǎn)化效率達70.6%[61].

2019年，Li等[62]報道的一種電暈充電增強柔性TENG，實現(xiàn)了同時具備高電力輸出和靈活性. 此TENG(3.5 cm×3.5 cm)的VOC、JSC和功率密度可分別達到275 V、9.5 μA和802.31 mW/m2. 與不帶電暈的器件相比，TENG器件的VOC提高了244%. 另外，其整體厚度只有1.3 mm，質(zhì)量1.7 g，這使得它適合附著在人體上，從生物力學運動中獲取機械能，為便攜式和可穿戴電子設(shè)備供電方面顯示出了巨大的潛力. 此外，通過將TENG與太陽能電池相結(jié)合構(gòu)建的新結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)從陽光和雨滴中發(fā)電[63]，為人們在不同的天氣條件下從環(huán)境中收集能量提供了一種有效的方法. 這為今后研究提高太陽能電池的性能提供了一種新思路.

綜上所述，綜述了TENG的4種基本工作模式和工作原理，以及通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、合理的材料選擇和納米級的表面改性后的高級結(jié)構(gòu). 這些高級結(jié)構(gòu)可以增大摩擦層之間的有效接觸面積，提高表面電荷密度，使TENG的輸出特性提高，擴大TENG的應(yīng)用領(lǐng)域.

2 摩擦納米發(fā)電技術(shù)的潛在應(yīng)用

TENG的優(yōu)點是可以收集生活中各種機械能來轉(zhuǎn)化為電能，因而在生產(chǎn)和生活方面具有廣闊的應(yīng)用前景. TENG和傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)發(fā)電相比，能源收集形式多樣，且輸出電壓較高，可達千伏以上，能形成高強電場. 同時，其收集的微弱機械能產(chǎn)生的電能可有效反映出機械運動的狀況，因而在信號傳感和器件性能調(diào)控等方面具有廣泛應(yīng)用前景. 以下分別通過用作功率源、電壓源、信號源、控制源4個方面來闡明摩擦納米發(fā)電技術(shù)的潛在應(yīng)用.

2.1 摩擦納米發(fā)電作為功率源的潛在應(yīng)用

2.1.1 風能收集

在氣候變暖和能源危機的全球性危機情況下，風能作為一種大自然饋贈的重要機械能被廣泛認為是一種重要的可再生綠色能源[64]. 但基于電磁感應(yīng)發(fā)電技術(shù)的傳統(tǒng)風力發(fā)電技術(shù)具有體積大、質(zhì)量大、成本高、低風速驅(qū)動難等問題[65]. 雖然雙壓電晶片換能器結(jié)構(gòu)在一定程度上解決傳統(tǒng)風力發(fā)電的啟動速度低的缺點，但其結(jié)構(gòu)較復雜、輸出效率低，在弱風速情況下同樣難以廣泛應(yīng)用[66]. 因此，開發(fā)新型風力發(fā)電技術(shù)，并將其推廣到較大的適用范圍(尤其是弱風環(huán)境下)和人們的日常生活中，具有很大的必要性和現(xiàn)實意義.

Zhao等[67]設(shè)計了一種2D結(jié)構(gòu)的獨立編織摩擦電納米發(fā)電機(woven triboelectric nanogenerator，WTENG)旗，可以從任意方向獲取高空風能，如圖11所示. 當匹配電阻為6.5 MΩ時，輸出峰值功率密度最大值達到135 mW/kg. 研究發(fā)現(xiàn)，這個2D WTENG標志也可以在多層的平行連接中疊加，以實現(xiàn)線性增加的輸出. 此外，WTENG旗質(zhì)量輕、成本低、易于擴展，在天氣/環(huán)境傳感/監(jiān)測系統(tǒng)中有著巨大的應(yīng)用前景.

Yang等[68]首先報道了用于收集風能的基于顫振摩擦起電的非轉(zhuǎn)動式TENG，如圖12所示. 通過將FEP膜的一面固定在管底部開端的中間，另一面可以自由移動，在風驅(qū)動的振動下，2個鋁箔與FEP膜間的間距會發(fā)生周期性碰撞與摩擦，從而獲取外電路的輸出電壓和電流. 研究表明，100 MΩ負載下，一個TENG整流后的VOC與JSC分別為20 V和0.5 μA，4個TENG的VOC與JSC被分別提高到100 V和1.6 mA. 圖12(h)展示了4個TENG的能量可以直接作為功率源點亮40個綠色LED.

此后，Li等[69]提出了一種轉(zhuǎn)動式滑動獨立層模式TENG. 研究發(fā)現(xiàn)：利用風力同時來收集風能和控制摩擦層間接觸和非接觸狀態(tài)的自由轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)極高的穩(wěn)固性. 結(jié)果表明：在10.8 m/s風速下，非接觸狀態(tài)的TENG的電荷足以點亮30個LED. 將此TENG安裝在汽車上，可以通過汽車運動產(chǎn)生的風能轉(zhuǎn)化為電能. 汽車的運動可以有3個階段，加速、減速和勻速. 當汽車起步或快要停止時，車載TENG處于接觸狀態(tài)來恢復電荷；當車高速運動時，TENG處于非接觸狀態(tài). 這樣2種狀態(tài)的自由轉(zhuǎn)換可以實現(xiàn)TENG長時間運行. 當TENG安裝在10 m/s的汽車上時，其作為功率源足以點亮20個串聯(lián)的TENG.

2.1.2 機械振動能收集

在自然界中，大部分機械振動的方向和頻率是不固定的，因此很難有效地進行能量采集. Yang等[70]通過提出一種三維結(jié)構(gòu)的TENG，如圖13所示，它既可以工作于垂直- 接觸分離模式，又可以工作于水平滑動模式. 研究者進行了3組實際應(yīng)用研究. 第1組是將三維TENG安裝在一個電纜上，在風吹或雨滴的微小擾動下，所采集的振動能可有效點亮40個LED(見圖13(b)). 第2組是將三維TENG捆綁在人腿上，通過采集行走過程中人體的振動能，可以有效點亮40個商用LED(見圖13(d)). 第3組將三維的TENG固定在自行車車輪上，在車輪轉(zhuǎn)動過程中，30個串聯(lián)的商用LED可以直接被點亮(見圖13(f)). 以上研究表明TENG在日常生活中具有一定的實用性，并且基于其體積小、結(jié)構(gòu)多樣且環(huán)保無污染等特性，有望在以后會得到廣泛應(yīng)用.

在日常生活中，由于聲震動常被認為是一種噪聲污染，很少被用作能源，而Yang等[71]通過設(shè)計第1個收集環(huán)境中聲音震動能量的有機薄膜TENG. 該器件由PTFE薄膜和多孔鋁薄膜電極構(gòu)成，在應(yīng)變條件下，能夠直接將聲波能量轉(zhuǎn)換成電能，TENG最大功率密度為60.2 mW/m2，這些能量可以同時點亮17個LED. 在一個固定的聲壓110 dB下，VOC和ISC在不同的開孔率0.1、0.3和0.5時的輸出電壓和電流可分別達60 V和15 μA. 此外，通過選用一個立方體邊長為8 cm的腔體作為器件的亥姆霍茲腔體，當聲壓為110 dB和共振頻率為240 Hz情況下時，TENG可以同時點亮17個商用的LED.

2.1.3 人體運動能收集

身體運動是驅(qū)動可穿戴電子設(shè)備的最理想的能量來源. 為了使TENG能夠有效收集身體運動能，多種結(jié)構(gòu)的TENG被開發(fā)出來. 2019年，Zhang等[72]設(shè)計了一種新型的斜微陣列結(jié)構(gòu)，制備出高性能的紡織基耐磨摩擦電納米發(fā)電機(wearable triboelectric nanogenerator，WTNG)，如圖14所示. 當具有斜向PDMS納米棒的TENG在工作條件下均勻彎曲并沿單向滑動時，可以有效地提高復合材料的接觸面積. 斜微結(jié)構(gòu)使TENG產(chǎn)生的JSC和VOC分別達到3.24 μA/cm2和1 014.2 V，最大峰值功率密度達到211.7 μW/cm2. 可以使48個紅色LED通過敲擊TENG而同時發(fā)光. 因此，此TENG可以在肘部上穿衣不斷從人體運動中獲取能量，作為一種可持續(xù)的動力源.

Zhong等[73]報道了第一個纖維基TENG，它可用于給電容充電，驅(qū)動LED和無線傳感系統(tǒng)，證實了利用自驅(qū)動智能衣來驅(qū)動可穿戴電子設(shè)備和生物醫(yī)學應(yīng)用的可能性. 此TENG的制作過程如圖15(a)所示，它是由2種改性后的棉線相互纏繞而成：涂有碳納米管的棉線(coated cotton thread,CCT)和涂有PTFE以及碳納米管的棉線(carbon nanotube coated cotton thread,PCCT). 工作原理如圖15(f)所示，類似于垂直- 接觸分離模式TENG，在棉線之間會產(chǎn)生交變電荷流動. 在周期性振動下，得到的輸出電流經(jīng)整流橋后給電容充電，在27 s內(nèi)充電可到2.4 V，用于點亮一個LED. 纖維基TENG也可用于驅(qū)動一個自制無線體溫檢測系統(tǒng).

2.1.4 海洋能收集

目前，傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)發(fā)電機在收集海洋能存在諸多挑戰(zhàn)，如難以采集低于3 Hz的海浪產(chǎn)生的機械能. 因而，簡單、可靠、成本低廉的TENG提供了一種全新的大規(guī)模海洋能采集的方式. 2013年，Lin等[74]提出第1個基于水體的TENG，它是利用PDMS和水體的接觸分離來產(chǎn)生電能. 選用去離子水作為實驗用水，在電機的控制下，PDMS會以一個恒定的2 Hz頻率與水體進行接觸分離，TENG的VOC是可由0 V升至82 V. 此外，通過一個整流橋，器件的交流輸出形式有效地變?yōu)橹绷鬏敵?，并且給一個33 μF的電容器充電. 該工作首次證明通過TENG可以有效和水結(jié)合起來收集水波運動的機械能.

Cheng等[75]提出了一種水輪結(jié)構(gòu)的TENG，能夠同時對環(huán)境中的機械動能或靜電能進行采集. 雜化后的TENG被速度為54 mL/s的水流沖刷時，20個商用LED被同時點亮；同時，一個407 μF的商用電容器也可以被快速充電. 另外，考慮到廣闊的海洋上具有無限的波浪上下運動機械能，一種基于網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的TENG群[76]被提出，如圖16所示，用于采集大規(guī)模的海洋能. 根據(jù)1 t海水的實測輸出量，預計每平方千米的海面TENG平均功率輸出為1.15 MW. 研究者將一個由4個單元并聯(lián)的小型網(wǎng)絡(luò)TENG漂浮在游泳池中進行波浪能采集，當清風吹過水面，所激起微波可以使器件工作并驅(qū)動一個自供電的SOS(見圖16(f)). 實際應(yīng)用中TENG系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖為圖16(i)，并且此結(jié)構(gòu)的TENG適用于采集各種水波動能，理論上適應(yīng)所有的海面區(qū)域[76].

2.2 摩擦納米發(fā)電作為電壓源的應(yīng)用

TENG除了作為功率源外，由于它的高電壓輸出性能，一方面可以直接驅(qū)動電響應(yīng)材料和設(shè)備[77]，包括介電彈性體、壓電材料、鐵電材料、場發(fā)射和質(zhì)譜計等；另一方面其數(shù)千伏的高壓和表面存在的高強電場是空氣凈化領(lǐng)域的理想能源[3,78-79]. 在空氣凈化系統(tǒng)中使用TENG有以下幾個優(yōu)點[80]：1) TENG可以有效地從周圍環(huán)境中獲取機械能，因此系統(tǒng)的運行不需要外部電源；2) 通過摩擦電效應(yīng)產(chǎn)生的大量靜電和形成的高壓電場可以通過靜電吸附作用大大提高系統(tǒng)的去除效率；3) 盡管TENG產(chǎn)生高的電壓，但在運行過程中不電離空氣，因而沒有副產(chǎn)物如臭氧等排放.

2014年，Han等[81]提出的一種基于圓盤的設(shè)計，模擬汽車剎車片處于接觸和非接觸模式時收集能量，為從旋轉(zhuǎn)機器(如自行車、汽車和火車)中獲取能量提供了一種現(xiàn)實的技術(shù). 該設(shè)計基于一個連續(xù)的摩擦帶電過程和靜電感應(yīng)過程，當2個圓盤同時處于接觸和非接觸模式時就可以產(chǎn)生電能. 在接觸模式下，輸出電壓是540 V，輸出電流密度為43 mA/m2. 在非接觸模式下，輸出電壓達到65 V，輸出電流密度為3.4 mA/m2，功率密度為221 mW/m2，匹配負載電阻為20 MΩ. 次年，Han等[82]再次設(shè)計了一種自供電摩擦電汽車尾氣過濾器，用于去除汽車尾氣中顆粒物(particulate matters,PMs). 此TENG是利用靜電吸附效應(yīng)去除氣溶膠顆粒，其中高靜電場是由摩擦電荷形成的，不需要外界供電. 該裝置主要由PTFE球和兩個平行的鋁電極板固定在一個絕緣的立方型腔上組成. 當垂直方向的振動施加到腔體上時，PTFE球由于慣性與2個電極板發(fā)生上下碰撞，在PTFE球表面形成摩擦電荷. 由于PTFE電負性高，電子首先從一個鋁電極注入PTFE球，導致PTFE球團表面帶負電荷，鋁極板帶正電荷.

通過有限元模擬表明，PTFE顆粒與電極之間的碰撞或摩擦會產(chǎn)生大量的摩擦電荷，形成高達12 MV/m的空間電場，2個電極之間的開路電壓為6 kV，而實測電壓也約為3 kV. 由圖17(c)可以看出，與干凈的PTFE顆粒相比，粗糙的PTFE顆粒，O和C的含量顯著增加，并發(fā)現(xiàn)大量的雜質(zhì)元素，如N、Si、Na和S，這些均與汽車尾氣顆粒物中的硝酸鹽、硫酸鹽等物質(zhì)相對應(yīng). 并且經(jīng)研究得到[82]，汽車尾氣中的顆粒物尺寸主要分布在80～300 nm，通過摩擦電汽車尾氣過濾器收集汽車尾氣的震動能，可以實現(xiàn)對這些尾氣中細顆粒物高達95.5%的過濾效率. 該研究對目前面臨的由汽車尾氣引起的霧霾問題提供了一種方便且有效的解決思路.

此后，Liu等[83]以聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)電紡絲制備納米纖維薄膜和呼吸驅(qū)動的TENG為基礎(chǔ)，研制了一種新型的自供電靜電吸附面罩. 利用超細粒子通過靜電紡PVDF納米纖維薄膜作為摩擦層和濾網(wǎng)，在呼吸作用下持續(xù)摩擦提供靜電荷和電場實現(xiàn)對顆粒物的靜電吸附過濾. 研究發(fā)現(xiàn)，對粗顆粒和細顆粒的去除率大于99.2%，面罩連續(xù)摩擦運行240 min后，超細顆粒的去除率仍高達86.9%. 間隔30 d后，面罩的過濾效率仍然高達95%以上. 在不同濕度的外部環(huán)境下，面罩對不同尺寸的顆粒物同樣具有良好的過濾效果. 因此，基于TENG高電壓和電場特性，在顆粒物凈化上體現(xiàn)出很好的應(yīng)用效果.

基于以上分析，證實了TENG可以收集生活中的各種機械能轉(zhuǎn)換為電能，利用電能產(chǎn)生的高強電壓和電場，實現(xiàn)其在空氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用.

2.3 摩擦納米發(fā)電作為信號源的應(yīng)用

TENG基本原理是基于2種不同材料相互接觸或摩擦產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移，因而可以通過對電荷轉(zhuǎn)移情況的監(jiān)測來反映微小接觸情況，這為TENG作為信號源在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用提供了得天獨厚的優(yōu)勢.

2.3.1 自驅(qū)動觸摸傳感器

Zhu等[84]利用單電極TENG進行觸摸傳感，結(jié)構(gòu)如圖18(a)所示. 利用摩擦層- 氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene propylene,FEP)與外界物體的接觸來產(chǎn)生摩擦電荷. 通過對此傳感器進行性能測試發(fā)現(xiàn)，較大的輸出電壓可實時反映外界物體接觸的情況. 實際應(yīng)用中，將邊長為1 cm的傳感器與信號處理電路集成制備了一種無線傳感系統(tǒng)，通過一個接觸行為產(chǎn)生的電信號去觸發(fā)報警器的報警聲音，并伴有閃燈報警(見圖18(d)). 此外，將器件(邊長10 cm)鋪在地毯下方，通過腳踏地毯可以產(chǎn)生15 V的輸出電壓，用這個電壓同樣可以觸發(fā)報警器，實現(xiàn)對進入人員的傳感與監(jiān)控(見圖18(f)). 與此同時，還可以用觸摸來實現(xiàn)開關(guān)應(yīng)用，觸發(fā)電燈的開啟和關(guān)閉(見圖18(i)). 綜上所述，這種觸摸傳感器及其整合的無線傳感系統(tǒng)可以有很多重要應(yīng)用，包括人機交互、自動控制、監(jiān)控、遙感和安全系統(tǒng)等.

2.3.2 自供電人體活動傳感器

對于收集人體運動能實現(xiàn)供電的自驅(qū)動系統(tǒng)在人體行為傳感器方面有著廣泛的應(yīng)用[73, 85-86]，它們在沒有外部電源的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)能源自給. Niu等[87]通過利用這種自充電單元持續(xù)驅(qū)動多種商用電子設(shè)備實現(xiàn)了傳感器在一些方面的應(yīng)用，如圖19所示.

首先人體運動充電單元被連接到商用溫度傳感器上，傳感器利用熱電偶傳感外部環(huán)境溫度，然后傳感的模擬信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字化顯示在液晶顯示屏上實現(xiàn)可視化輸出. 研究發(fā)現(xiàn)，即使在溫和的1.6 Hz手掌拍擊下，人體運動充電單元也可以提供足夠的功率以保持溫度傳感器的連續(xù)運行(見圖19(b)).

此外，研究者首次實現(xiàn)了自供電心電圖系統(tǒng)(electrocardiograph system，EGG系統(tǒng))用于人體健康檢測，如圖19(c)所示. 同時，研究者首次實現(xiàn)了自供電的計步器(見圖19(d)). 當計步器保持正常功能時，Vstore從初始的5.02 V快速增加到5.67 V，這種快速增加是由于自供電TENG壓力傳感器導致的系統(tǒng)低功耗[87].

2.3.3 自供電- 聲音傳感器和錄音

聲波以一種特殊的形式無處不在地出現(xiàn)在周圍的環(huán)境中. 因此，對聲波的探測不僅對信息技術(shù)十分重要，而且對儀器設(shè)備系統(tǒng)和環(huán)境的監(jiān)測有著重要的意義[88]. Yang等[71]基于亥姆霍茲共振器將聲波轉(zhuǎn)換成電信號的能力，研究了一種自供電的聲音傳感器，提供了一種適應(yīng)性強、可移動且具有成本效益的技術(shù). 如圖20所示，4個不同尺寸大小的發(fā)電機NG1、NG2、NG3和NG4組成的一個系統(tǒng)，共振頻率分別為350、650、1 100、1 400 Hz，從而器件的頻帶寬度可以有效地被拓寬至10～1 700 Hz，實現(xiàn)有效的自供電錄音.

基于亥姆霍茲共振腔的TENG有很大的共振腔，限制了器件的實際應(yīng)用范圍. 為了改進結(jié)構(gòu)，F(xiàn)an等[89]通過利用微孔作為聲音響應(yīng)研發(fā)了一個超薄可卷曲的紙基TENG，如圖20(e)～(h)所示. 他們研究得到：平面形態(tài)的TENG的方向性圖是一個對稱的蝴蝶形狀，而卷曲形態(tài)的TENG的方向性圖是一個嚴格對稱的圓面，表明該器件在卷曲狀態(tài)下的電學輸出與入射聲波方向無關(guān)，即可以有廣泛的應(yīng)用，包括能量采集方面，自供電的傳感方面(如劇臺現(xiàn)場錄音、軍事監(jiān)測、多方向聲音能采集等).

2.3.4 自供電起搏器

Zheng等[90]首次提出了一種利用TENG收集生物體內(nèi)的機械能，如心臟跳動、肺的收縮擴張等，如圖21所示. 他們通過將TENG植入活鼠體內(nèi)收集周期性呼吸的能量，直接用于驅(qū)動起搏器. 為了演示TENG收集能量直接驅(qū)動醫(yī)療設(shè)備形成的自驅(qū)動系統(tǒng)的功能，將一個可調(diào)參數(shù)(刺激脈沖的頻率、寬度和電壓)的起搏器樣品作為模型. TENG從動物呼吸中獲取的能量儲存在一個電容中，成功驅(qū)動一個起搏器原型來調(diào)節(jié)小鼠的心率.

通過研究發(fā)現(xiàn)，此TENG可以成功將小鼠正常呼吸的機械能轉(zhuǎn)換為功率密度高達8.44 mW/m2的電能，利用TENG的電能儲存在電容中，能夠成功驅(qū)動起搏器樣品調(diào)節(jié)小鼠的心跳. 這項工作展現(xiàn)了邁向終生植入式可自供電的醫(yī)療設(shè)備的重要一步. 2020年，Han等[91]設(shè)計了一種基于魚膠的TENG，其產(chǎn)生的電能足以直接點亮50個商用LED；可以在不同的外力作用下產(chǎn)生不同的電信號，已經(jīng)被用作一種自供電傳感器，用于實時監(jiān)測人類的生理信號，如手指觸摸、關(guān)節(jié)運動和呼吸. 此外，Wang等[92]基于TENG研制的一種用于檢測氣動流量和液位的磁瓣式雙功能傳感器. 結(jié)果表明：它可以有效檢測30～130 mm液位高度，為多功能摩擦電傳感器的發(fā)展提供了廣闊的前景.

2.4 摩擦納米發(fā)電作為控制源的應(yīng)用

近年來，研究者們通過將TENG與半導體器件耦合形成了摩擦電子學領(lǐng)域[93]，也就是將TENG用作了控制源，通過將機械運動轉(zhuǎn)化為摩擦電控制信號，進一步控制半導體器件. Han等[94]通過耦合摩擦帶電和等離子體發(fā)光，利用摩擦電致使等離子體放電的方式，在無須額外電源的情況下，獲得了深紫外發(fā)光，擴展了TENG作為調(diào)壓器件的應(yīng)用范圍. 同年，Zhang等[95]開發(fā)了用于演示組合邏輯運算的摩擦電子邏輯電路，首次提出了一種基于SOI晶片和可移動PTFE層的浮動接觸電場門控摩擦電子學晶體管(contact-electric-field gated tribotronic transistor,CGT)，其可通過移動層和浮動柵極之間的接觸和分離進行門控，如圖22所示.

研究者利用2個集成的CGL，驗證了摩擦電子NAND門的工作原理，2種輸入力的運算結(jié)果符合NAND邏輯操作和互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor transistor,CMOS)邏輯電平標準的特點. 此外，通過將有機薄膜晶體管(organic thin film transistors,OTFT)與TENG耦合，研制出了有機摩擦學晶體管(organic tribotronic transistor,OTT)，用TENG的接觸誘導靜電勢代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柵電壓來調(diào)制電荷載流子輸運[96]. 研究者制備的一種接觸帶電門控發(fā)光二極管(contact-electrification-gated light-emitting diode,CG-LED)，如圖23所示，實現(xiàn)了外部環(huán)境/刺激對電致發(fā)光器件的直接調(diào)制. 它相當于OTT和OLED與電壓源串聯(lián)，在這種連接中，施加物理接觸可以調(diào)節(jié)OTT中的電流以及OLED的發(fā)光強度，實現(xiàn)了CG-LED的物理接觸調(diào)制方式，如通過按壓產(chǎn)生的發(fā)電電壓，能夠調(diào)控器件的亮度幾乎從6.65 cd/m2線性降低至2.36 cd/m2.

之后，Li等[97]通過將有機晶體管存儲器(organic transistor memory，OTM)和柔性材料的TENG耦合，提出了柔性有機摩擦晶體管存儲器(organic triboelectric transistor memory,OTTM). 在觸摸監(jiān)控系統(tǒng)中，TENG是外部物理觸摸的觸發(fā)輸入和復位單元，OTM是記錄檢測到的觸發(fā)的存儲單元，OLED用于視覺讀取的觸摸信號輸出功能單元. 該系統(tǒng)可用于監(jiān)控外部觸摸和保護機密文件. 在通過外部觸摸寫入和擦除程序后，轉(zhuǎn)移曲線的移位和返回在穩(wěn)定性和重復性方面表現(xiàn)出了很好的性能. 總之，TENG與各種機械能收集及其應(yīng)用的關(guān)系如圖24所示，通過將自然界中各種機械能轉(zhuǎn)化為電能，有望實現(xiàn)其在自驅(qū)動功能、空氣凈化、自驅(qū)動傳感、器件性能調(diào)控等方面的應(yīng)用.

3 結(jié)論與展望

摩擦納米發(fā)電技術(shù)是一項革新的技術(shù)，它能夠巧妙的將2種物體間摩擦形成的電荷轉(zhuǎn)化為有用的電信號或電源，成為現(xiàn)代能源研究領(lǐng)域中最有效的能源獲取方式之一. 摩擦納米發(fā)電機憑借其靈活多變的結(jié)構(gòu)，可以收集自然界中的各種機械能，如風能、海洋能、人體運動能及將各種各樣的其他的機械震動轉(zhuǎn)化為電能或電信號. 通過收集機械能產(chǎn)生的電能，可以直接作為功率源，為各種微納電子器件供電；也可作為電壓源，利用其高的電壓和電場，在空氣凈化領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景；又可作為信號源，通過將各種機械運動產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為電信號，實現(xiàn)機械信號向電信號的有效傳遞與傳感；它還可以用作控制源，通過機械運動來產(chǎn)生電壓，從而實現(xiàn)對各種半導體器件進行有效調(diào)控. 因此，摩擦納米發(fā)電技術(shù)在機械能收集方面，特別是低頻、弱機械運動條件下能量的轉(zhuǎn)化，是最理想的方式，為自驅(qū)動功能型電子器件的發(fā)展提供新的思路.

摩擦納米發(fā)電機憑借其先天的可柔韌性、體積靈活多變、易于制造、材料無污染等特點，以及良好的電學輸出特性，在未來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面具有廣闊的應(yīng)用前景. 然而，摩擦納米發(fā)電雖然輸出電壓較高，但是受表面電荷密度飽和的限制，輸出的電流遠遠低于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)發(fā)電，因而在大功率能源發(fā)電方面的應(yīng)用會受一定的限制. 同時，摩擦納米發(fā)電機是高阻電容型器件，在大量器件集成方面不遵守普通電源的串并聯(lián)電壓和電流的疊加規(guī)律. 因此，如何突破通過大規(guī)模的集成實現(xiàn)功率的疊加是摩擦納米發(fā)電邁向大能源應(yīng)用最為關(guān)鍵的一步.

摩擦納米發(fā)電作為信號源在使用時具有高的靈敏度，且一般也不受到功率的限制，但外界靜電感應(yīng)產(chǎn)生的信號干擾是其作為信號源在走向應(yīng)用過程中所要解決的重要問題. 在作為控制源的使用方面，同樣開創(chuàng)了機械能調(diào)控半導體器件性能的新途徑，但是摩擦發(fā)電過程中也同樣面臨表面電荷密度的不均或衰減、外界靜電信號干擾等問題，在實際應(yīng)用中仍需多方面考慮. 在作為電壓源時，在利用摩擦電荷產(chǎn)生的高強電場實現(xiàn)除塵和利用摩擦電荷實現(xiàn)有害氣體高效分解方面具有獨特的優(yōu)勢，不易收到外界靜電的干擾，因而首先實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，如摩擦電空氣凈化器、摩擦電口罩等. 因此，在摩擦納米發(fā)電技術(shù)方面，有美好的應(yīng)用前景，同樣面臨各種各樣的挑戰(zhàn).

致謝

本工作感謝中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王中林院士、張弛研究員、陳翔雨研究員、唐偉研究員、蔣濤研究員和陳寶東研究員在摩擦納米發(fā)電領(lǐng)域做出的杰出貢獻和對本工作的大力支撐.