基于接触起电和静电诱导效应而发明的摩擦纳米发电机(TENG)作为一项新兴的技术,为人们解决世界能源问题提供了一个新的选项。与此同时,TENG的广泛应用也使人们逐渐的更加关注一个古老的现象,即接触起电(CE)。作为当今最古老的科学问题之一,接触起电现象的发现距今已超过2600年,但其中仍有一些具体机制有待人们进一步探索与揭示。
接触起电的机制,历史上主要归因于三种,即电子转移、离子转移或物质转移。近年来的研究结果,更加倾向于认为是电子转移主导,并在宏观与微观两种情况下都获得了较为缜密的证明。这些研究中,其中的一个关键在于采用了高温的方法确立了电子转移才是接触起电机制的主导因素。但是,唯一不足的是,高温研究所采用的材料主要集中在耐高温的半导体或绝缘体,对于相对不耐高温的聚合物则无法通过实验直接验证。虽然一些聚合物的基体可以耐较高的温度,但是热处理仍然很容易会破坏其表面的起电特性。因此,当前若想实现聚合物在高温下的热电子发射的直接验证,将是非常困难的。在这里提出,能否尝试研究有机-无机复合物薄膜,在高温下有机物的变化也可能会对整个体系起电发生影响,探索这种情况下的起电特性和机制也将是非常有趣和有价值的。
本实验中,采用溶胶-凝胶法制备了多种不同的有机-无机复合物薄膜,包括Nb2O5、ZrO2和HfO2薄膜。对上述薄膜进行了不同温度下的高温退火处理,采用KPFM探索其微区上的起电量和起电特性,并对高温引起的薄膜的结构、形貌、官能团以及表面价态等进行了表征与分析。根据实验结果,构建了不同温度退火后对接触起电影响的表面态模型。本研究尝试探索含有有机物或Polymer的材料在高温处理后的起电特性的变化,丰富当前接触起电的相关研究并更好的理解与揭示其机制。相关研究成果以题目“Reversal of triboelectric charges on sol-gel oxide films annealed at different temperatures"发表在Applied Physics Letters(JCR Q1,IF=3.597)。
图1 (a)AFM实验平台;(b)Nb2O5薄膜在不同温度退火后表面的起电特性;(c)Nb2O5薄膜的XRD图谱;(d)Nb2O5薄膜的红外光谱图;Nb2O5薄膜的(e) Nb 3d和(f) O 1s XPS能谱
图2 (a)搭建的纳秒激光快速热处理平台;(b)激光辐照后薄膜表面的起电特性
图3 (a)ZrO2薄膜在不同温度退火后表面的起电特性;(b) ZrO2薄膜的红外光谱图;ZrO2薄膜的(c) Zr 3d和(d) O 1s XPS图谱
图4 金属与不同温度退火后的电介质的起电机制的表面态模型
题目:Reversal of triboelectric charges on sol-gel oxide films annealed at different temperatures
作者:Yongqiao Zhu, Shiquan Lin, Wenchao Gao, Miao Zhang, Dawei Li, Peizhong Feng, Cheng Xu, Zhong Lin Wang
链接:https://ceramics.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jace.17723
DOI:https://doi.org/10.1063/5.0055312
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