郑泉水院士团队首次实现结构超滑微发电机

2021-04-19 16:56:21

近日，清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心郑泉水院士研究组在结构超滑技术的应用领域取得重要突破，首次从实验上实现了结构超滑微发电机。技术上，基于动态肖特基节原理的这个原型样机，在4微米见方的超滑接触面，不仅实现了极高的电流密度(～210 Am-2)和功率密度(～7 Wm-2)，还具有几乎无限的寿命。科学上，该工作还首次排除了摩擦诱导的激发机制，并给出了金属/半导体相对滑动过程中非平衡电子漂移过程导致发电的物理过程。这项工作将指导和加速超滑微发电机在未来的应用。

肖特基超滑发电机的结构、输出电流和摩擦力，及其与传统肖特基发电机的对比。(a)石墨岛/ n型硅形成的肖特基超滑发电机的结构示意图。(b)石墨岛/ n型硅形成的肖特基超滑发电机的光学显微镜图像。(c)肖特基超滑发电机的前2,000个循环的电流图。(d)肖特基超滑发电机在不同速度下的摩擦力（红色）和电流（蓝色）与滑动循环次数之间的关系。(e)纳米针尖与n型硅形成的传统肖特基发电机的前56个循环的电流图，以及结构示意图。(f)传统肖特基发电机的摩擦力（红色）和平均电流（蓝色）与滑动循环次数之间的关系。

随着微米纳米制造技术的飞速发展，不断微型化的传感器和器件正在物联网，传感器网络，大数据，私人健康系统，人工智能等领域中大量应用。然而到目前为止，这些微型器件和传感器主要仍由电池或者外部充电设备供电，这严重限制了其发展和应用场景，尤其是对需要进行独立，可持续，免维护操作的微型器件，例如植入式生物传感器，远程和移动环境传感器，纳米/微型机器人，便携式/可穿戴式个人电子设备等等，外部供电的方式将变得十分困难，甚至不可实现，而若采用电池这类消耗式电源，如何更换电池和反复对其充能又成为了一个非常复杂且困难的问题，同时目前小尺度的化学电池也面临着诸多的困难。

微发电机指的是一种能够在极其微弱的外界激励下，将激励能量转化为电能的器件，同时其具有结构尺寸微小，适用范围广泛等特点。但是，极低的电流密度和较短的使用寿命导致具有上述优点的微发电机至今没有实现，其中一个很重要的原因是在小尺度下，摩擦和磨损带来的问题被显著的放大，导致其失效。因此，亟待从源头上寻找革命性的技术方法突破摩擦、磨损瓶颈问题，以推动微发电机真正走到实际应用。结构超滑(Structural Superlubricity)指的是两个完全接触的固体表面在滑动过程中，保持几乎为零的摩擦力和零磨损的状态。2012年郑泉水团队第一次在在大气环境中、以m/s的速度实现了微米尺度结构超滑，为上述瓶颈问题的解决带来了曙光。最近，在深圳市政府和深圳市坪山区政府资助下，郑泉水领衔建立了全球第一个结构超滑技术研究机构——深圳清华大学研究院超滑技术研究所。

近期，一种新型的微发电机结构被提出，即通过金属与半导体接触形成的肖特基节在相对滑动过程中产生直流电信号(简称肖特基发电机)，其相比于传统的静电感应式微发电机具有结构简单、电流密度高等优点。然而，到目前为止，所有报道的肖特基发电机都无法同时实现足够高的电流密度和足够长的使用寿命，严重限制了其应用。我们猜测导致上述瓶颈的根本原因是大多数报道的肖特基发电机均基于摩擦激发产生电流的机制。但是，可能存在另一种产生电流的机制，即通过滑动过程中耗尽层建立和破坏形成的非平衡漂移电流来产生电流，可以解决上述的瓶颈问题，而结构超滑技术则提供了一种巧妙的手段来验证该机制。本次报道的工作正是采用石墨岛和原子级平整的n型硅形成的肖特基超滑发电机，实现了稳定的高电流密度(～210 Am-2)和功率密度(～7 Wm-2)，而且更重要的是在保持稳定的高电流密度(～119 Am-2)的同时，实现了至少5,000个周期的长寿命。进一步的，我们通过实验中极低的摩擦力排除了摩擦激发机制，首次揭示了肖特基发电机中还存在其他产生电流的机制，并通过准静态有限元模拟证明耗尽层建立和破坏形成的非平衡漂移电流是肖特基超滑发电机中最有可能产生电流的机制，并给出了该机制的物理图像和过程。

该工作以“具有高电流密度和超长寿命的微型肖特基超滑微发电机”（Microscale Schottky superlubric generator with high direct-current density and ultralong life）为题，2021年4月16日在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。郑泉水的博士生黄轩宇为该论文第一作者；郑泉水为通讯作者。论文合作者还包括向小健博士、聂锦辉博士、彭德利博士、钱班本科生杨馥玮、博士生吴章辉、姜海洋博士、清华大学徐志平教授。（来源：清华大学）