目录
前言
第1章 摩擦纳米发电机简介 1
1.1 引言 1
1.2 压电纳米发电机的发明 1
1.3 摩擦纳米发电机的发现 2
1.4 摩擦起电机理 3
1.4.1 固-固情况 3
1.4.2 液-固情况 3
1.5 摩擦纳米发电机的基本理论 5
1.6 麦克斯韦方程组机械驱动系统 7
1.7 摩擦纳米发电机输出的计算 8
1.8 摩擦纳米发电机的工作模式 10
1.8.1 接触-分离模式 10
1.8.2 水平滑动模式 10
1.8.3 单电极模式 10
1.8.4 *立层模式 11
1.8.5 滚动模式 11
1.9 决定性品质因数 11
1.10 定量化摩擦电序列 13
1.11 增强表面电荷密度 15
1.11.1 材料选择 15
1.11.2 电荷泵 17
1.12 提高耐久性 17
1.12.1 工作模式下的自动切换 17
1.12.2 工作频率的放大 18
1.12.3 使用液体润滑层 18
1.13 摩擦纳米发电机的技术应用 18
1.13.1 作为纳米和微电源 18
1.13.2 作为自驱动传感器 19
1.13.3 蓝色能源 20
1.13.4 作为高压源 20
1.13.5 作为研究液-固界面电荷转移的探针 20
1.14 摩擦纳米发电机与电磁发电机的比较 21
1.15 结论 23
参考文献 23
第2章 固-固接触起电的起源 26
2.1 引言 26
2.2 金属间接触起电 27
2.2.1 电子转移模型 27
2.2.2 金属-金属接触体系电子转移模型的理论研究 31
2.3 涉及电绝缘体的接触带电 33
2.3.1 摩擦电序列概述 33
2.3.2 绝缘体接触体系中的电子转移模型 36
2.3.3 绝缘体接触体系中的表面化学效应 44
2.3.4 绝缘体接触体系中的材料转移效应 46
2.3.5 相同绝缘体材料之间接触起电 47
2.3.6 绝缘体接触体系中的尺寸效应 47
2.3.7 绝缘体系统中接触起电的理论计算研究方法 48
2.4 涉及半导体的接触起电 50
2.5 结论与展望 53
参考文献 53
第3章 液-固接触起电机理 58
3.1 引言 58
3.2 液-固摩擦研究背景 59
3.3 实验技术和理论方法 60
3.3.1 开尔文探针力显微镜 60
3.3.2 声悬浮 63
3.3.3 法拉第杯 65
3.3.4 **性原理计算 66
3.4 液-固界面处的接触起电 66
3.4.1 液体-绝缘体界面 66
3.4.2 液体-半导体界面 75
3.4.3 液体-金属界面 77
3.5 接触起电的王氏模型 78
3.6 双电层模型的讨论 80
3.6.1 传统双电层模型 80
3.6.2 王氏混合双电层模型和“两步”形成模型 81
3.6.3 回顾双电层模型及其相关领域 82
3.7 总结 84
参考文献 85
第4章 动态半导体结机械能-电能转换 90
4.1 引言 90
4.2 化学势差发电机的工作原理 91
4.3 化学势差发电机的基本理论 92
4.4 化学势差发电机的基本器件结构 93
4.4.1 半导体-半导体电极对 93
4.4.2 金属-半导体电极对 94
4.4.3 电极表面态的影响 95
4.4.4 接触间隙的影响 97
4.5 化学势差发电机的电学输出性能 98
4.5.1 负载电阻的影响 98
4.5.2 接触-分离频率的影响 99
4.5.3 *大分离距离的影响 100
4.6 摩擦伏特发电机的工作原理 100
4.7 摩擦伏特发电机的器件结构 101
4.7.1 平面接触 101
4.7.2 尖端接触 103
4.7.3 金属-绝缘体-半导体接触 105
4.8 摩擦伏特发电机的多物理场效应 107
4.8.1 摩擦-光伏效应 108
4.8.2 摩擦-热电效应 108
4.8.3 界面电场效应 110
4.9 总结 111
参考文献 111
第5章 摩擦纳米发电机的位移电流理论 114
5.1 引言 114
5.2 一般极化矢量P和动生极化项PS 115
5.2.1 外加电场引起的极化 115
5.2.2 物体相对运动引起的极化 116
5.3 位 移 电 流 117
5.3.1 位移电流的定义 117
5.3.2 扩展位移电流 119
5.3.3 动生极化项和位移电流的影响与意义 121
5.4 摩擦纳米发电机的理论基础与模型 122
5.4.1 摩擦纳米发电机的数学物理模型 123
5.4.2 摩擦纳米发电机的等效电路模型 127
5.4.3 摩擦纳米发电机的机电耦合模型 130
5.5 摩擦纳米发电机的位移电流 132
5.5.1 接触分离模式摩擦纳米发电机的位移电流 132
5.5.2 单电极模式摩擦纳米发电机的位移电流 136
5.5.3 水平滑动模式摩擦纳米发电机的位移电流 136
5.5.4 接触式*立层模式摩擦纳米发电机的位移电流 141
5.5.5 滑动型*立层模式摩擦纳米发电机位移电流 144
5.5.6 柱形摩擦纳米发电机的位移电流 149
5.6 结论与展望 154
5.6.1 结论 154
5.6.2 展望 156
参考文献 156
第6章 球形摩擦纳米发电机输出功率的定量计算 159
6.1 引言 159
6.2 摩擦纳米发电机的一般结构 160
6.2.1 的周期性运动 162
6.2.2 无量纲数 162
6.3 简化模型 163
6.4 案例A：电极电荷密度均匀分布 164
6.4.1 电容 164
6.4.2 电势差 166
6.4.3 参数优化 167
6.5 案例B：等电极电势 168
6.5.1 电容 168
6.5.2 电势差 169
6.5.3 *优化 170
6.6 参数化和积分 171
6.6.1 有限平面圆形电容器 173
6.6.2 球形电容器 177
6.7 不同计算方法结果比较 180
6.7.1 有限圆盘电容器 181
6.7.2 理想公式 181
6.7.3 精确方法 181
6.7.4 边界元法 182
6.7.5 奇点附近的积分 184
6.7.6 有限元法 187
6.7.7 结果 187
6.8 结论 188
参考文献 188
第7章 固体材料摩擦电荷密度的量化 190
7.1 引言 190
7.2 摩擦电荷密度分析 192
7.2.1 力 192
7.2.2 功函数 194
7.2.3 介电常数 196
7.2.4 表面形态 197
7.2.5 厚度 199
7.2.6 合成方法 200
7.2.7 湿度 201
7.3 摩擦电荷密度的测量 202
7.3.1 定性测量技术 202
7.3.2 定量测量技术 203
7.4 机理 215
7.5 固体材料摩擦电荷密度的改进 217
7.5.1 表面工程 217
7.5.2 表面化学修饰 219
7.5.3 电荷注入 221
7.5.4 电荷捕获 222
7.5.5 复合材料 223
7.6 总结 224
参考文献 224
第8章 摩擦纳米发电机的品质因数 229
8.1 引言 229
8.2 有效*大能量输出 230
8.2.1 摩擦纳米发电机的能量输出周期 230
8.2.2 摩擦纳米发电机*大能量输出周期 230
8.2.3 摩擦纳米发电机循环的实验演示 232
8.2.4 每周期有效*大能量输出 233
8.3 品质因数 236
8.3.1 摩擦纳米发电机的品质因数 236
8.3.2 不同模态的摩擦纳米发电机结构形式 237
8.3.3 基于考虑击穿放电效应的Eem的品质因数 238
8.3.4 压电纳米发电机的标准化评估并与摩擦纳米发电机进行比较 238
8.4 输出能量密度 240
8.5 环境生命周期评价与技术经济分析 243
8.6 潜在应用 245
8.7 结论 249
参考文献 250
第9章 电路设计提高摩擦纳米发电机的输出性能和能量利用效率 253
9.1 引言 253
9.2 电荷激励提升摩擦纳米发电机输出性能 254
9.2.1 电荷激励技术的基础 256
9.2.2 电荷激励技术的发展 262
9.2.3 电荷激励技术的应用 266
9.3 能量管理提升摩擦纳米发电机能量利用效率 270
9.4 总结 278
参考文献 278
第10章 摩擦纳米发电机耐久性 281
10.1 引言 281
10.2 优化摩擦电材料基体性能 283
10.2.1 优化摩擦电材料的力学性能 283
10.2.2 优化摩擦电材料的抗磨性能 286
10.2.3 优化摩擦电材料的自愈合性能 287
10.3 优化摩擦电材料的表面性能 291
10.3.1 材料表面纹理设计 291
10.3.2 材料表面涂层设计 293
10.3.3 材料表面基团设计 293
10.4 优化摩擦电材料结构特性 294
10.4.1 非接触工作模式设计 294
10.4.2 滚动运动模式设计 295
10.4.3 滑动液体模式设计 296
10.5 优化摩擦电材料的界面特性 297
10.5.1 自清洁界面设计 297
10.5.2 界面润滑设计 301
10.6 结论 303
参考文献 303
第11章 摩擦纳米发电机的电源管理系统 309
11.1 引言 309
11.2 摩擦纳米发电机的电气模型 311
11.3 机械开关和开关电容的电源管理 314
11.4 前端整流拓扑 317
11.5 使用有源开关的功率变换器拓扑结构 320
11.6 具有无源电子开关的功率变换器拓扑结构 324
11.7 摩擦纳米发电机电源管理中未来的挑战 329
11.7.1 提高输出功率 329
11.7.2 输出电压或电流的调节 330
11.7.3 超级电容器或电池中的能量储存 331
11.7.4 混合纳米发电机的电源管理系统 331
11.8 结论 331
参考文献 332
第12章 摩擦纳米发电机的能量存储 337
12.1 引言 337
12.2 电容器作为摩擦纳米发电机的能量存储设备 339
12.3 超级电容器作为摩擦纳米发电机的能量存储设备 342
12.3.1 超级电容器作为*立单元与摩擦纳米发电机耦合 342
12.3.2 微型超级电容器与摩擦纳米发电机的集成 343
12.3.3 集成柔性超级电容器与摩擦纳米发电机的可穿戴自充电能源系统 346
前言
第1章 摩擦纳米发电机简介 1
1.1 引言 1
1.2 压电纳米发电机的发明 1
1.3 摩擦纳米发电机的发现 2
1.4 摩擦起电机理 3
1.4.1 固-固情况 3
1.4.2 液-固情况 3
1.5 摩擦纳米发电机的基本理论 5
1.6 麦克斯韦方程组机械驱动系统 7
1.7 摩擦纳米发电机输出的计算 8
1.8 摩擦纳米发电机的工作模式 10
1.8.1 接触-分离模式 10
1.8.2 水平滑动模式 10
1.8.3 单电极模式 10
1.8.4 *立层模式 11
1.8.5 滚动模式 11
1.9 决定性品质因数 11
1.10 定量化摩擦电序列 13
1.11 增强表面电荷密度 15
1.11.1 材料选择 15
1.11.2 电荷泵 17
1.12 提高耐久性 17
1.12.1 工作模式下的自动切换 17
1.12.2 工作频率的放大 18
1.12.3 使用液体润滑层 18
1.13 摩擦纳米发电机的技术应用 18
1.13.1 作为纳米和微电源 18
1.13.2 作为自驱动传感器 19
1.13.3 蓝色能源 20
1.13.4 作为高压源 20
1.13.5 作为研究液-固界面电荷转移的探针 20
1.14 摩擦纳米发电机与电磁发电机的比较 21
1.15 结论 23
参考文献 23
第2章 固-固接触起电的起源 26
2.1 引言 26
2.2 金属间接触起电 27
2.2.1 电子转移模型 27
2.2.2 金属-金属接触体系电子转移模型的理论研究 31
2.3 涉及电绝缘体的接触带电 33
2.3.1 摩擦电序列概述 33
2.3.2 绝缘体接触体系中的电子转移模型 36
2.3.3 绝缘体接触体系中的表面化学效应 44
2.3.4 绝缘体接触体系中的材料转移效应 46
2.3.5 相同绝缘体材料之间接触起电 47
2.3.6 绝缘体接触体系中的尺寸效应 47
2.3.7 绝缘体系统中接触起电的理论计算研究方法 48
2.4 涉及半导体的接触起电 50
2.5 结论与展望 53
参考文献 53
第3章 液-固接触起电机理 58
3.1 引言 58
3.2 液-固摩擦研究背景 59
3.3 实验技术和理论方法 60
3.3.1 开尔文探针力显微镜 60
3.3.2 声悬浮 63
3.3.3 法拉第杯 65
3.3.4 **性原理计算 66
3.4 液-固界面处的接触起电 66
3.4.1 液体-绝缘体界面 66
3.4.2 液体-半导体界面 75
3.4.3 液体-金属界面 77
3.5 接触起电的王氏模型 78
3.6 双电层模型的讨论 80
3.6.1 传统双电层模型 80
3.6.2 王氏混合双电层模型和“两步”形成模型 81
3.6.3 回顾双电层模型及其相关领域 82
3.7 总结 84
参考文献 85
第4章 动态半导体结机械能-电能转换 90
4.1 引言 90
4.2 化学势差发电机的工作原理 91
4.3 化学势差发电机的基本理论 92
4.4 化学势差发电机的基本器件结构 93
4.4.1 半导体-半导体电极对 93
4.4.2 金属-半导体电极对 94
4.4.3 电极表面态的影响 95
4.4.4 接触间隙的影响 97
4.5 化学势差发电机的电学输出性能 98
4.5.1 负载电阻的影响 98
4.5.2 接触-分离频率的影响 99
4.5.3 *大分离距离的影响 100
4.6 摩擦伏特发电机的工作原理 100
4.7 摩擦伏特发电机的器件结构 101
4.7.1 平面接触 101
4.7.2 尖端接触 103
4.7.3 金属-绝缘体-半导体接触 105
4.8 摩擦伏特发电机的多物理场效应 107
4.8.1 摩擦-光伏效应 108
4.8.2 摩擦-热电效应 108
4.8.3 界面电场效应 110
4.9 总结 111
参考文献 111
第5章 摩擦纳米发电机的位移电流理论 114
5.1 引言 114
5.2 一般极化矢量P和动生极化项PS 115
5.2.1 外加电场引起的极化 115
5.2.2 物体相对运动引起的极化 116
5.3 位 移 电 流 117
5.3.1 位移电流的定义 117
5.3.2 扩展位移电流 119
5.3.3 动生极化项和位移电流的影响与意义 121
5.4 摩擦纳米发电机的理论基础与模型 122
5.4.1 摩擦纳米发电机的数学物理模型 123
5.4.2 摩擦纳米发电机的等效电路模型 127
5.4.3 摩擦纳米发电机的机电耦合模型 130
5.5 摩擦纳米发电机的位移电流 132
5.5.1 接触分离模式摩擦纳米发电机的位移电流 132
5.5.2 单电极模式摩擦纳米发电机的位移电流 136
5.5.3 水平滑动模式摩擦纳米发电机的位移电流 136
5.5.4 接触式*立层模式摩擦纳米发电机的位移电流 141
5.5.5 滑动型*立层模式摩擦纳米发电机位移电流 144
5.5.6 柱形摩擦纳米发电机的位移电流 149
5.6 结论与展望 154
5.6.1 结论 154
5.6.2 展望 156
参考文献 156
第6章 球形摩擦纳米发电机输出功率的定量计算 159
6.1 引言 159
6.2 摩擦纳米发电机的一般结构 160
6.2.1 的周期性运动 162
6.2.2 无量纲数 162
6.3 简化模型 163
6.4 案例A：电极电荷密度均匀分布 164
6.4.1 电容 164
6.4.2 电势差 166
6.4.3 参数优化 167
6.5 案例B：等电极电势 168
6.5.1 电容 168
6.5.2 电势差 169
6.5.3 *优化 170
6.6 参数化和积分 171
6.6.1 有限平面圆形电容器 173
6.6.2 球形电容器 177
6.7 不同计算方法结果比较 180
6.7.1 有限圆盘电容器 181
6.7.2 理想公式 181
6.7.3 精确方法 181
6.7.4 边界元法 182
6.7.5 奇点附近的积分 184
6.7.6 有限元法 187
6.7.7 结果 187
6.8 结论 188
参考文献 188
第7章 固体材料摩擦电荷密度的量化 190
7.1 引言 190
7.2 摩擦电荷密度分析 192
7.2.1 力 192
7.2.2 功函数 194
7.2.3 介电常数 196
7.2.4 表面形态 197
7.2.5 厚度 199
7.2.6 合成方法 200
7.2.7 湿度 201
7.3 摩擦电荷密度的测量 202
7.3.1 定性测量技术 202
7.3.2 定量测量技术 203
7.4 机理 215
7.5 固体材料摩擦电荷密度的改进 217
7.5.1 表面工程 217
7.5.2 表面化学修饰 219
7.5.3 电荷注入 221
7.5.4 电荷捕获 222
7.5.5 复合材料 223
7.6 总结 224
参考文献 224
第8章 摩擦纳米发电机的品质因数 229
8.1 引言 229
8.2 有效*大能量输出 230
8.2.1 摩擦纳米发电机的能量输出周期 230
8.2.2 摩擦纳米发电机*大能量输出周期 230
8.2.3 摩擦纳米发电机循环的实验演示 232
8.2.4 每周期有效*大能量输出 233
8.3 品质因数 236
8.3.1 摩擦纳米发电机的品质因数 236
8.3.2 不同模态的摩擦纳米发电机结构形式 237
8.3.3 基于考虑击穿放电效应的Eem的品质因数 238
8.3.4 压电纳米发电机的标准化评估并与摩擦纳米发电机进行比较 238
8.4 输出能量密度 240
8.5 环境生命周期评价与技术经济分析 243
8.6 潜在应用 245
8.7 结论 249
参考文献 250
第9章 电路设计提高摩擦纳米发电机的输出性能和能量利用效率 253
9.1 引言 253
9.2 电荷激励提升摩擦纳米发电机输出性能 254
9.2.1 电荷激励技术的基础 256
9.2.2 电荷激励技术的发展 262
9.2.3 电荷激励技术的应用 266
9.3 能量管理提升摩擦纳米发电机能量利用效率 270
9.4 总结 278
参考文献 278
第10章 摩擦纳米发电机耐久性 281
10.1 引言 281
10.2 优化摩擦电材料基体性能 283
10.2.1 优化摩擦电材料的力学性能 283
10.2.2 优化摩擦电材料的抗磨性能 286
10.2.3 优化摩擦电材料的自愈合性能 287
10.3 优化摩擦电材料的表面性能 291
10.3.1 材料表面纹理设计 291
10.3.2 材料表面涂层设计 293
10.3.3 材料表面基团设计 293
10.4 优化摩擦电材料结构特性 294
10.4.1 非接触工作模式设计 294
10.4.2 滚动运动模式设计 295
10.4.3 滑动液体模式设计 296
10.5 优化摩擦电材料的界面特性 297
10.5.1 自清洁界面设计 297
10.5.2 界面润滑设计 301
10.6 结论 303
参考文献 303
第11章 摩擦纳米发电机的电源管理系统 309
11.1 引言 309
11.2 摩擦纳米发电机的电气模型 311
11.3 机械开关和开关电容的电源管理 314
11.4 前端整流拓扑 317
11.5 使用有源开关的功率变换器拓扑结构 320
11.6 具有无源电子开关的功率变换器拓扑结构 324
11.7 摩擦纳米发电机电源管理中未来的挑战 329
11.7.1 提高输出功率 329
11.7.2 输出电压或电流的调节 330
11.7.3 超级电容器或电池中的能量储存 331
11.7.4 混合纳米发电机的电源管理系统 331
11.8 结论 331
参考文献 332
第12章 摩擦纳米发电机的能量存储 337
12.1 引言 337
12.2 电容器作为摩擦纳米发电机的能量存储设备 339
12.3 超级电容器作为摩擦纳米发电机的能量存储设备 342
12.3.1 超级电容器作为*立单元与摩擦纳米发电机耦合 342
12.3.2 微型超级电容器与摩擦纳米发电机的集成 343
12.3.3 集成柔性超级电容器与摩擦纳米发电机的可穿戴自充电能源系统 346
精彩书摘
第1章摩擦纳米发电机简介
第1章 摩擦纳米发电机简介
摘要
摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator，TENG）由王中林院士团队于2012年*次发明，通过摩擦起电和静电感应的耦合将小规模机械能转化为电能。TENG是一项划时代的技术，具有前所未有的性能。TENG既不使用磁铁也不使用线圈，具有轻质、低密度、低成本的特点，并且可以使用大多数有机材料进行制造。*重要的是，与传统的电磁发电机（electro magetic generator，EMG）相比，TENG在低频率（＜5～10Hz）下使用效果*好。因此，TENG成为从人体运动和海洋波浪（蓝色能源）中收集低频能量的*特选择。TENG还可以作为自驱动传感器，分别通过电压和电流输出信号主动检测由机械激励引起的静态和动态过程，应用包括机械传感器、生理检测、运动感应、触控板和电子皮肤等技术。
1.1 引言
能够从环境中收集能量作为可持续的自给微/纳功率源的新技术是纳米能源的新兴领域，主要涉及利用纳米材料和纳米技术收集能量为微/纳系统供电。在过去的十多年中，我们一直在开发纳米发电机用于构建自驱动系统和有源传感器。主要利用两种物理效应来收集小规模的机械能：压电效应和摩擦起电效应。本章旨在系统全面地介绍TENG，从理论到实验，从基本操作到技术应用，从单个装置到系统集成，作为新能源技术和自驱动的有源传感器。
1.2 压电纳米发电机的发明
随着世界进入物联网（internet of things，IOT）和人工智能时代，向智能社会迈进*重要的发展是数以万亿传感系统的阵列，它构成了第四次工业革命迈入功能化和智能化世界的基础。鉴于这些传感器需要具备移动性，物联网的发展需要分布式能源，可以通过太阳能、热能、风能和机械触发/振动能来提供。这些电源可能尚未为主要电网提供稳定的电力，但它们非常适合为移动传感器和自驱动系统提供电能[1]。基于这样的初衷，王中林院士团队在2006 年*次发明了压电纳米发电机（piezoelectric nanogenerator，PENG）[2]：使用垂直排列的氧化锌纳米线并利用原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）将微小的机械能转换为电能。使用AFM探针和直径约为50nm、长度为几微米的单个氧化锌纳米线将机械能转换为电能，制造了世界上*小的发电机。因此，这个发电机称为压电纳米发电机[3]。
压电效应是一些晶体的*特特性，它们要么属于钙钛矿结构（如Pb(Zr， Ti)O3），要么结构缺乏中心对称性，如纤锌矿结构的ZnO和GaN。对于一个压电材料，一旦它受到机械应变，晶体结构中的阳离子和阴离子就会发生相对位移，使得沿着应变方向存在宏观极化，并且晶体的两端分别有极化电荷。如果将电极连接到晶体的两端，并通过金属导线相互连接，那么极化电荷产生的电势将由从一个电极到另一个电极的电子流来平衡，从而产生沿金属导线的脉冲输出电流。这就是PENG的原理。
1.3 摩擦纳米发电机的发现
摩擦起电效应在日常生活中无处不在，它是两种不同材料接触时产生的效应。在工业界，它通常被视为负面效应，因为由此产生的静电荷会导致火花、粉尘爆炸、介电击穿、电子器件损坏等问题。从能源的角度来看，当两个摩擦起电材料表面分离时，这些静电荷构成了一个电容式能量装置，这也促使早期静电发电机（如“摩擦机”和范德格拉夫起电机）的发明[4]。摩擦起电为数不多的工业应用可能只有空气过滤和复印。
一般来说，对摩擦起电效应的理解是“静电充电”，但并没有太多的应用。然而，由于2012年王中林院士团队发明了TENG，这种理解已经转变为“发电”，从而开辟了一个新的能量收集和自驱动传感器的领域。通过将摩擦起电效应与静电感应耦合，TENG能够有效地利用环境中普遍存在但通常浪费的机械能（图1.1）[5]。摩擦起电/接触起电在接触材料表面产生静电极化电荷，而由机械分离产生的麦克斯韦位移电流，以及电极之间的静电感应导致机械能转化为电能。
1.4 摩擦起电机理
摩擦起电（triboelectrification，TE）是工程术语，用于描述接触起电（contact-electrification，CE）的一般现象。尽管2600 年前摩擦起电就已经被人们所知，但关于接触起电是由电子转移、离子转移还是材料种类转移引起的还存在争议。这可能是测量技术的限制以及摩擦过程中接触起电的复杂性所致。接触起电发生在各个相之间，包括固体、液体和气体，它是界面上*基本的现象。接触起电发生在固-固、固-液、液-液、气-液、气-气和气-固之间，在物理、化学和生物学中发挥着基础性的作用。直到*近，电子转移被确立为在接触起电中的主导角色。
1.4.1 固-固情况
在两个固体之间的接触起电主要是电子转移所主导的，甚至可以说是完全由电子转移所主导的[6]。金属-介质之间的接触起电可以很好地用金属费米能级模型和介质表面态模型来描述。介质-介质之间的接触起电可以通过表面态模型来理解。实验证明，只有当两种材料的距离小于键合长度时接触起电才会发生，如在两个原子的相互作用势能中的斥力区域（图1.2（a）和（b）。对于一般情况，*次提出了用一个重叠的电子云模型来解释电子跃迁，即在受应力的两个原子之间的电子云强烈重叠导致两者之间的势垒降低，从而允许电子从一个原子跃迁到另一个原子[7]。为了使原子足够靠近，需要施加机械应力以实现电子云的*大重叠。这个模型被认为是理解任意两种材料之间接触起电的通用模型，可以扩展到液-固、液-液、气-固和气-液的接触起电情况。为了简化描述和引用，图1.2（a2）和（b2）中呈现的电子跃迁模型称为接触起电的王氏跃迁。此外，预计在这个过程中会发生光子发射，这已经通过实验证实，可能会产生一个由接触起电引发的界面光子发射光谱（CE-induced interface photon emission spectroscopy，CEIIPES）[8]。
1.4.2 液-固情况
液-固之间的接触起电是由于双电层（electric double layer，EDL）的形成。关于EDL的**模型是固体表面上吸附一层离子，倾向于吸引溶液中电荷相反的离子，同时排斥带有相同电荷符号的离子，形成一个靠近液体-固体界面的电势分布。*近，Wang等提出EDL的形成可能包括两个步骤[9， 10]。**步是液体和固体表面之间的电子交换过程，类似于接触起电的提出，使得固体表面上的原子转变为离子。第二步是离子与液体中的离子之间的相互作用，导致界面附近出现阳离子和阴离子的梯度分布。传统模型忽略**步，只考虑第二步。实际上，电子交换和离子吸附在液体-固体相互作用中同时发生并共存，这在实验中得到了验证[9， 11]。这种关于EDL模型的修订可能进一步影响与界面化学、电化学甚至细胞水平相互作用相关的一些理解。
图1.2 用于解释一般情况下两个原子之间的接触起电和电荷转移的重叠电子云模型
（a1）（b1）当施加外部压缩力时，两个原子之间存在相互作用势能，分别对应两者之间的引力和斥力。实验证明，只有在两个原子之间的相互作用是斥力，即两个原子的电子云重叠程度较强时，电子转移才会发生。（a2）（b2）当两种材料A和B的两个原子分别处于分离和紧密接触状态时，电子云和势阱模型的示意图。由于外力降低了潜在屏障，从A原子向B原子的电子跃迁变得可能，会导致接触电荷转移的发生。这种现象简称为接触起电的王氏跃迁使用开尔文（Kelvin）探针，通过蒸发水后滴加一滴溶液来测量固体表面传递的电荷。图1.3（a）～（f）显示了与去离子水滴接触后固体表面上剩余接触起电电荷的时间衰减*线[9]。发现所有电荷的衰减*线都遵循电子热发射模型，因此可移动的电荷是电子，而“黏性”的电荷是离子。固体表面可以获得或失去电子，而吸附在表面上的离子可以是阳离子和阴离子，表明可能是物理吸附或化学吸附。图1.3（a）～（f）标明了电子转移和离子转移，可以看到电子转移与离子转移的比例（E/I）高度依赖固体的类型。对于AlN和去离子水之间的接触起电，超过88%的转移电荷是电子。但是在Si3N4和去离子水之间的接触起电中，电子转移仅占总电荷转移的31%。在液体-固体接触起电中，转移的电子和离子的极性不一定相同。如图1.3（a）所示，MgO在与去离子水之间的接触起电中同时获得电子并吸附正离子，表明离子的化学吸附是有可能的。对于AlN和去离子水之间的接触起电，AlN失去电子并获得负离子（图1.3（f））。这些结果表明液体-固体接触起电中的电子转移和离子转移是相互*立的，取决于固体表面的固有特性。
图1.3 在室温下，用一滴去离子水滴在MgO（a）、Si3N4（b）、Ta2O5（c）、HfO2（d）、Al2O3（e）和AlN（f）表面上接触后，对无机非金属固体材料表面电荷密度衰减的开尔文探针测量结果，以及去离子水与不同绝缘体之间电子转移（E）和离子转移（I）的数量
在水分干燥后，测量433K下的电荷密度。图中顶部和底部的示意图显示了电子/空穴和离子在固体表面上通过化学或物理吸附的分布情况
1.5 摩擦纳米发电机的基本理论
对PENG来说，由于晶体表面上的应变使离子产生了表面极化电荷。在TENG的情况下，两种不同材料的物理接触产生了摩擦电荷。为了考虑由接触起电引起的静电荷和机械激励期间介质的相对运动和/或形状变化对发电的贡献，位移矢量D[12， 13]中添加了一个额外项PS。
（1.1）
式中， 表示真空介电常数；E表示电场；**项极化矢量P是由外部电场的感应效应引起的，而添加的项PS主要是表面电荷和介质运动引起的机械驱动产生的极化效应（图1.4）。将式（1.1）代入麦克斯韦方程，并定义
（1.2）
图1.4 新定义的位移矢量D中的三个项，以及它们在图中表示的空间电荷
PS对应的电荷密度是来自TENG中表面接触起电效应的电荷密度
麦克斯韦方程可以扩展为一个新的相一致方程组[13]：
（1.3a）
（1.3b）
（1.3c）
（1.3d）
根据式（1.3d），传导电流是J，而总位移电流是
（1.4）
式中， 表示由于电场随时间变化而产生的位移电流； 表示由于介质边界变化而引起的电流，称为Wang term。这些方程是推导纳米发电机（nanogenerator，NG）输出特性的基础。
纳米发电机中电流的空间分布由式（1.4）给出，其中**项是负载上观察到的传导电流，第二项是纳米发电机内部的位移电流，它是发电的驱动力。
第1章 摩擦纳米发电机简介
摘要
摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator，TENG）由王中林院士团队于2012年*次发明，通过摩擦起电和静电感应的耦合将小规模机械能转化为电能。TENG是一项划时代的技术，具有前所未有的性能。TENG既不使用磁铁也不使用线圈，具有轻质、低密度、低成本的特点，并且可以使用大多数有机材料进行制造。*重要的是，与传统的电磁发电机（electro magetic generator，EMG）相比，TENG在低频率（＜5～10Hz）下使用效果*好。因此，TENG成为从人体运动和海洋波浪（蓝色能源）中收集低频能量的*特选择。TENG还可以作为自驱动传感器，分别通过电压和电流输出信号主动检测由机械激励引起的静态和动态过程，应用包括机械传感器、生理检测、运动感应、触控板和电子皮肤等技术。
1.1 引言
能够从环境中收集能量作为可持续的自给微/纳功率源的新技术是纳米能源的新兴领域，主要涉及利用纳米材料和纳米技术收集能量为微/纳系统供电。在过去的十多年中，我们一直在开发纳米发电机用于构建自驱动系统和有源传感器。主要利用两种物理效应来收集小规模的机械能：压电效应和摩擦起电效应。本章旨在系统全面地介绍TENG，从理论到实验，从基本操作到技术应用，从单个装置到系统集成，作为新能源技术和自驱动的有源传感器。
1.2 压电纳米发电机的发明
随着世界进入物联网（internet of things，IOT）和人工智能时代，向智能社会迈进*重要的发展是数以万亿传感系统的阵列，它构成了第四次工业革命迈入功能化和智能化世界的基础。鉴于这些传感器需要具备移动性，物联网的发展需要分布式能源，可以通过太阳能、热能、风能和机械触发/振动能来提供。这些电源可能尚未为主要电网提供稳定的电力，但它们非常适合为移动传感器和自驱动系统提供电能[1]。基于这样的初衷，王中林院士团队在2006 年*次发明了压电纳米发电机（piezoelectric nanogenerator，PENG）[2]：使用垂直排列的氧化锌纳米线并利用原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）将微小的机械能转换为电能。使用AFM探针和直径约为50nm、长度为几微米的单个氧化锌纳米线将机械能转换为电能，制造了世界上*小的发电机。因此，这个发电机称为压电纳米发电机[3]。
压电效应是一些晶体的*特特性，它们要么属于钙钛矿结构（如Pb(Zr， Ti)O3），要么结构缺乏中心对称性，如纤锌矿结构的ZnO和GaN。对于一个压电材料，一旦它受到机械应变，晶体结构中的阳离子和阴离子就会发生相对位移，使得沿着应变方向存在宏观极化，并且晶体的两端分别有极化电荷。如果将电极连接到晶体的两端，并通过金属导线相互连接，那么极化电荷产生的电势将由从一个电极到另一个电极的电子流来平衡，从而产生沿金属导线的脉冲输出电流。这就是PENG的原理。
1.3 摩擦纳米发电机的发现
摩擦起电效应在日常生活中无处不在，它是两种不同材料接触时产生的效应。在工业界，它通常被视为负面效应，因为由此产生的静电荷会导致火花、粉尘爆炸、介电击穿、电子器件损坏等问题。从能源的角度来看，当两个摩擦起电材料表面分离时，这些静电荷构成了一个电容式能量装置，这也促使早期静电发电机（如“摩擦机”和范德格拉夫起电机）的发明[4]。摩擦起电为数不多的工业应用可能只有空气过滤和复印。
一般来说，对摩擦起电效应的理解是“静电充电”，但并没有太多的应用。然而，由于2012年王中林院士团队发明了TENG，这种理解已经转变为“发电”，从而开辟了一个新的能量收集和自驱动传感器的领域。通过将摩擦起电效应与静电感应耦合，TENG能够有效地利用环境中普遍存在但通常浪费的机械能（图1.1）[5]。摩擦起电/接触起电在接触材料表面产生静电极化电荷，而由机械分离产生的麦克斯韦位移电流，以及电极之间的静电感应导致机械能转化为电能。
1.4 摩擦起电机理
摩擦起电（triboelectrification，TE）是工程术语，用于描述接触起电（contact-electrification，CE）的一般现象。尽管2600 年前摩擦起电就已经被人们所知，但关于接触起电是由电子转移、离子转移还是材料种类转移引起的还存在争议。这可能是测量技术的限制以及摩擦过程中接触起电的复杂性所致。接触起电发生在各个相之间，包括固体、液体和气体，它是界面上*基本的现象。接触起电发生在固-固、固-液、液-液、气-液、气-气和气-固之间，在物理、化学和生物学中发挥着基础性的作用。直到*近，电子转移被确立为在接触起电中的主导角色。
1.4.1 固-固情况
在两个固体之间的接触起电主要是电子转移所主导的，甚至可以说是完全由电子转移所主导的[6]。金属-介质之间的接触起电可以很好地用金属费米能级模型和介质表面态模型来描述。介质-介质之间的接触起电可以通过表面态模型来理解。实验证明，只有当两种材料的距离小于键合长度时接触起电才会发生，如在两个原子的相互作用势能中的斥力区域（图1.2（a）和（b）。对于一般情况，*次提出了用一个重叠的电子云模型来解释电子跃迁，即在受应力的两个原子之间的电子云强烈重叠导致两者之间的势垒降低，从而允许电子从一个原子跃迁到另一个原子[7]。为了使原子足够靠近，需要施加机械应力以实现电子云的*大重叠。这个模型被认为是理解任意两种材料之间接触起电的通用模型，可以扩展到液-固、液-液、气-固和气-液的接触起电情况。为了简化描述和引用，图1.2（a2）和（b2）中呈现的电子跃迁模型称为接触起电的王氏跃迁。此外，预计在这个过程中会发生光子发射，这已经通过实验证实，可能会产生一个由接触起电引发的界面光子发射光谱（CE-induced interface photon emission spectroscopy，CEIIPES）[8]。
1.4.2 液-固情况
液-固之间的接触起电是由于双电层（electric double layer，EDL）的形成。关于EDL的**模型是固体表面上吸附一层离子，倾向于吸引溶液中电荷相反的离子，同时排斥带有相同电荷符号的离子，形成一个靠近液体-固体界面的电势分布。*近，Wang等提出EDL的形成可能包括两个步骤[9， 10]。**步是液体和固体表面之间的电子交换过程，类似于接触起电的提出，使得固体表面上的原子转变为离子。第二步是离子与液体中的离子之间的相互作用，导致界面附近出现阳离子和阴离子的梯度分布。传统模型忽略**步，只考虑第二步。实际上，电子交换和离子吸附在液体-固体相互作用中同时发生并共存，这在实验中得到了验证[9， 11]。这种关于EDL模型的修订可能进一步影响与界面化学、电化学甚至细胞水平相互作用相关的一些理解。
图1.2 用于解释一般情况下两个原子之间的接触起电和电荷转移的重叠电子云模型
（a1）（b1）当施加外部压缩力时，两个原子之间存在相互作用势能，分别对应两者之间的引力和斥力。实验证明，只有在两个原子之间的相互作用是斥力，即两个原子的电子云重叠程度较强时，电子转移才会发生。（a2）（b2）当两种材料A和B的两个原子分别处于分离和紧密接触状态时，电子云和势阱模型的示意图。由于外力降低了潜在屏障，从A原子向B原子的电子跃迁变得可能，会导致接触电荷转移的发生。这种现象简称为接触起电的王氏跃迁使用开尔文（Kelvin）探针，通过蒸发水后滴加一滴溶液来测量固体表面传递的电荷。图1.3（a）～（f）显示了与去离子水滴接触后固体表面上剩余接触起电电荷的时间衰减*线[9]。发现所有电荷的衰减*线都遵循电子热发射模型，因此可移动的电荷是电子，而“黏性”的电荷是离子。固体表面可以获得或失去电子，而吸附在表面上的离子可以是阳离子和阴离子，表明可能是物理吸附或化学吸附。图1.3（a）～（f）标明了电子转移和离子转移，可以看到电子转移与离子转移的比例（E/I）高度依赖固体的类型。对于AlN和去离子水之间的接触起电，超过88%的转移电荷是电子。但是在Si3N4和去离子水之间的接触起电中，电子转移仅占总电荷转移的31%。在液体-固体接触起电中，转移的电子和离子的极性不一定相同。如图1.3（a）所示，MgO在与去离子水之间的接触起电中同时获得电子并吸附正离子，表明离子的化学吸附是有可能的。对于AlN和去离子水之间的接触起电，AlN失去电子并获得负离子（图1.3（f））。这些结果表明液体-固体接触起电中的电子转移和离子转移是相互*立的，取决于固体表面的固有特性。
图1.3 在室温下，用一滴去离子水滴在MgO（a）、Si3N4（b）、Ta2O5（c）、HfO2（d）、Al2O3（e）和AlN（f）表面上接触后，对无机非金属固体材料表面电荷密度衰减的开尔文探针测量结果，以及去离子水与不同绝缘体之间电子转移（E）和离子转移（I）的数量
在水分干燥后，测量433K下的电荷密度。图中顶部和底部的示意图显示了电子/空穴和离子在固体表面上通过化学或物理吸附的分布情况
1.5 摩擦纳米发电机的基本理论
对PENG来说，由于晶体表面上的应变使离子产生了表面极化电荷。在TENG的情况下，两种不同材料的物理接触产生了摩擦电荷。为了考虑由接触起电引起的静电荷和机械激励期间介质的相对运动和/或形状变化对发电的贡献，位移矢量D[12， 13]中添加了一个额外项PS。
（1.1）
式中， 表示真空介电常数；E表示电场；**项极化矢量P是由外部电场的感应效应引起的，而添加的项PS主要是表面电荷和介质运动引起的机械驱动产生的极化效应（图1.4）。将式（1.1）代入麦克斯韦方程，并定义
（1.2）
图1.4 新定义的位移矢量D中的三个项，以及它们在图中表示的空间电荷
PS对应的电荷密度是来自TENG中表面接触起电效应的电荷密度
麦克斯韦方程可以扩展为一个新的相一致方程组[13]：
（1.3a）
（1.3b）
（1.3c）
（1.3d）
根据式（1.3d），传导电流是J，而总位移电流是
（1.4）
式中， 表示由于电场随时间变化而产生的位移电流； 表示由于介质边界变化而引起的电流，称为Wang term。这些方程是推导纳米发电机（nanogenerator，NG）输出特性的基础。
纳米发电机中电流的空间分布由式（1.4）给出，其中**项是负载上观察到的传导电流，第二项是纳米发电机内部的位移电流，它是发电的驱动力。