研究背景
2019年王中林院士提出摩擦伏特效应（Tribovoltaic effect）后，基于半导体材料的直流摩擦纳米发电机（DC-TVNG）应运而生，是半导体能源领域的研究重点。相比于传统使用聚合物等材料输出交流电的TENG，DC-TVNG具有高电流密度、低阻抗等优异特性。然而，硅片等半导体材料在摩擦过程中的磨损会导致DC-TVNG输出电性能大幅度降低，严重影响其使用寿命。因此，降低材料磨损对DC-TVNG的实际应用至关重要。作为第三代半导体材料，金刚石具有宽带隙（5.5eV）和高载流子迁移率，且高强度、耐磨损等优异的机械性能，是半导体直流摩擦纳米发电机的理想材料。
文章概述
近日，北方工业大学杨晔、刘峰斌教授团队首次将掺硼金刚石半导体用于摩擦纳米发电机系统中，设计了一种基于金刚石摩擦伏特效应的直流摩擦纳米发电机（DDC-TVNG）。该DDC-TVNG采用球盘结构，在高接触压力下可长时间稳定运行。接触压力为2.0 GPa干摩擦条件下，往复循环345,600次后，DDC-TVNG依旧可输出短路电流（ISC）达13.3 μA的直流电；金刚石表面没有任何磨损，完好如初。而相同工况下硅基摩擦纳米发电机的峰值短路电流仅为0.4 μA，且650次循环后短路电流已降低至85 nA，硅片表面严重磨损。与半导体硅相比，金刚石基DDC-TVNG具有超长的使用寿命及稳定性，由于金刚石极高的硬度与耐磨性。对DDC-TVNG性能影响参数进行了研究，发现增加载荷和往复运动速度，可提高输出电性能。改变对偶摩擦副材质，分别使用钢球、铝球和铜球与金刚石摩擦，对比分析摩擦副材料对金刚石基DDC-TVNG输出电性能的影响，由于金刚石的化学稳定性高，摩擦过程中表面成分未发生变化，而球的氧化程度影响输出电流，铝球的短路电流最大。此外，氮气环境下DDC-TVNG的起电性能相比空气中大幅度降低，说明摩擦过程中接触界面的摩擦氧化反应对电流形成有重要影响。分析了DDC-TVNG的起电机理，直流输出源于摩擦伏特效应：金刚石与金属在摩擦过程中，金属表面发生氧化反应，化学键的断裂和新键的生成会释放能量（键合子“bindington” ），激发金刚石界面的电子-空穴对，被摩擦激发的电子-空穴对在内建电场作用下分离并产生直流电。这项工作实现了半导体直流摩擦纳米发电机在高接触压力下的长时间稳定输出，拓宽了其在半导体能源领域的应用，同时丰富了摩擦电子学的理论。
该成果以“Long-life diamond-based tribovoltaic nanogenerator”为题发表于《Nano Energy》。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285524012217
图文导读
图1 金刚石基直流摩擦纳米发电机(DDC-TVNG)的摩擦起电与摩擦学特性。(a)可同时测量起电性能与摩擦系数的球-盘结构DDC-TVNG；(b)金刚石表面形貌；(c)I-V曲线；(d)功率密度；(e)球盘往复运动的位移与速度对应关系；(f)1Hz，1N工况下DDC-TVNG的开路电压与短路电流。
图2 DDC-TVNG在接触压力2.0 GPa下的长时间测试。a) ISC; b) COF; c) 355,837次往复循环后金刚石表面三维形貌; d) 金刚石摩擦处截面轮廓; (e) 摩擦区域内外EDS能谱; (f) 拉曼光谱。
图3 金刚石基直流摩擦纳米发电机(DDC-TVNG)起电机理。(a)摩擦伏特效应；(b)金刚石表面粗糙度对短路电流的影响；(c)不同粗糙度金刚石的摩擦系数；(d)DDC-TVNG在空气中的ISC ；(e)氮气中短路电流。
总结
总结
本文设计了球-盘结构的金刚石基摩擦纳米发电机（DDC-TVNG），在高接触压力（2.0 GPa）下干摩擦往复运动二十多小时后，短路电流仍可达到13 μA，且金刚石表面没有任何磨损，展现出超长的使用寿命。由于金刚石优异的抗磨性能、稳定性和电学性能，金刚石基DDC-TVNG拓宽了用于半导体摩擦纳米发电机的材料，解决了材料磨损导致的性能降低问题，在能量收集和传感方面具有巨大的潜力。
编辑：李白 | 审核：木小何
