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近日,我学院张敏课题组在国际知名期刊Advanced Functional Materials (IF 19.924) 上发表题为“Flexible Liquid-Based Continuous Direct-Current Tribovoltaic Generators Enable Self-Powered Multi-Modal Sensing”的研究论文(DOI: 10.1002/adfm.202209484)。该研究突破了传统摩擦伏特直流纳米发电机的器件设计理念,采用一体式封装的方法实现了一种具有高稳定性及多功能传感能力的柔性可穿戴液滴直流发电机,并在原子尺度上深入探究了该类器件的物理机理。

目前柔性可穿戴的应用场景迫切需要柔性直流发电机。传统的刚性接触分离型直流发电机通常具有不可忽视的摩擦损失,无法长期地维持出色的输出,进而妨碍了其在连续运动场景中的实用性。本工作报道了一种具有金属-液体-半导体堆叠结构的柔性直流摩擦伏特发电机。具有铂--铟镓锌氧结构的发电机可提供高达2.3 μA cm-2的峰值短路电流密度、高达620 mV的峰值开路电压和高达0.1 μW cm-2的功率密度。该器件只需要经过轻微震动或摇晃就可以产生持续不断的直流输出,并表现出了优异的环境稳定性和可靠性。这种简单的工作模式可以使得该器件在日常无序的运动场景中稳定地收集能量,从而满足柔性可穿戴的应用场景。通过合理的器件结构及材料设计,还展示了该器件用于自供电多模传感,可以实现压力、位置姿势或温度的多模态检测。这为实现具有智能感知的电子皮肤、人机交互界面及下一代可穿戴电子设备提供了新的设计思路。

 器件的结构和性能表征

自供电多功能传感应用及器件物理机理

此外,结合密度泛函理论,本工作在原子尺度上研究了不同固液界面间的接触特性,提出固液之间的电荷转移是影响器件输出的关键因素,即固液界面处电荷转移诱导的界面电场和内建电场将共同作用于非平衡电子-空穴对的产生和分离,进而形成连续的直流电,为设计高性能液滴摩擦伏特发电机提供了理论指导。通过合理的材料设计,本工作实现的液滴摩擦伏特发电机所达到的输出性能是目前已报道的最优值。

该工作为北京大学深圳研究生院威尼斯welcome登录入口独立完成,威尼斯welcome登录入口张敏副教授为论文通讯作者,硕士生黄有超和博士生刘德行为论文的共同第一作者,硕士生高新宇、张艺明以及博士生朱家豪也在工作中做出了重要贡献。上述研究得到了国家自然科学基金面上项目、深圳市科技创新委员会布局项目及稳定支持项目的支持。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202209484

供稿人:刘德行


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