前言：

为了应对能源危机的到来，以及缓解巨大的能源需求，人们致力于研究新型能源技术。目前，全球能源发展正处于从化石燃料向新能源(风能、海洋能、太阳能.地热能、生物质能和核聚能等) 的转变期。

太阳能光伏系统能将光能直接转化为电能。它的基本组成部分是光伏电池，是一种将太阳能转化为直流电的半导体器件。除此之外，核能、氢能、地热能和风能等新型能源技术也已取得了长足的发展，并在世界各地具有一定的规模。

太阳能光伏系统运行原理图

此外，从自然环境中收集能量是新能源技术发展的有效途径。环境机械能的分布十分广泛，如在人类走路、汽车发动机、机床工作等场合都会产生机械能。如果可以有效地收集这些机械能，对于缓解能源压力十分有利。目前，电磁发电机、压电发电机和摩擦纳米发电机都是热门的机械能收集技术。

摩擦纳米发电机的科学起源及其基础理论在磁性材料中的延伸

摩擦纳米发电机工作原理概述

两种不同的物体经过摩擦后带电的现象叫做摩擦起电。这是一种随处可见的生活现象，如在冬天的时候，脱毛衣或者梳头发时出现的电火花。实际上，产生静电的原因是当两种不同的物体摩擦过后，一种带正电荷，一种带负电荷，并且它们的电荷量相等，因此而形成了静电。

这是电子从一种物质的表面转移到另外一种物质表面的结果。比如用丝绸擦拭玻璃棒，一些电子从玻璃棒转移到丝绸，所以丝绸会带有负电荷玻璃棒因为失去了电子而显正电，即带正电荷。

摩擦纳米发电机的工作原理示意图

摩擦起电的发现由来已久，只是人类对其的研究一直比较浅显。甚至在许多情况下，它都会被视为负面影响。比如，摩擦起电会测量仪器和电子设备造成干扰，设计者需要添加防静电和抗干扰部分，增加了产品成本，静电火花如果出现在煤矿中，很容易引发瓦斯爆炸，造成重大的人员伤亡和财产损失；在油罐车运输过程中，需要在车尾处用铁链接地，防止静电引发爆炸。

根据摩擦起电和静电感应两个基本原理，摩擦纳米发电机被设计出四种基本工作模式：垂直接触-分离模式、水平滑动模式、单电极模式、独立层模式，如下图所示。

摩擦纳米发电机四种基本工作模式

摩擦纳米发电机不管是在哪种模式下工作，都需要有接触起电的过程。而在2019年，王中林院士利用电子云势阱模型对接触起电的物理机制进行解释。如下图(a)所示，在两个材料的表面原子没有接触时，它们各自的电子云处于分离状态而没有重叠。

势阱将电子紧密地束缚在特定的轨道上，并阻止它们自由逃逸。当分别属于两种材料的两个原子靠近并相互接触时，电子云在两个原子之间重叠而形成离子键或共价键。如果增大外部施加的压力，则粘合长度会进一步缩短。在这种情况下，最初的单势阱变成不对称的双势阱，并且由于强电子云重叠，两者之间的能垒降低，如图(b)所示。

然后电子可以从一个原子转移到另一个原子，从而产生接触起电。两种材料的机械接触的结果是缩短了原子之间的距离，并导致它们的电子云发生重叠。值得注意的是，两个材料的表面只有很小一部分面积会达到原子级接触。而在更大的压力下，这样的原子级接触会变多。这也解释了，为什么当两个材料在更大的压力下摩擦时，转移的电荷量会增多。如图(c)所示，在两个原子分离后，转移的电子作为静电荷保留在材料表面。

半导体直流摩擦纳米发电机

摩擦纳米发电机自2012年被发明以来，经过多年的研究发展，在性能应用以及理论等方面都取得了突破性进展。但与此同时，摩擦纳米发电机也面临着一个问题，由于摩擦材料表面电荷密度的限制，它的电流密度较低，且内部阻抗较高。

这些缺点是它在各应用领域发展的障碍。因为一般的商用电子器件的工作阻抗是Ω级别的，而摩擦纳米发电机的内部阻抗则达到了MΩ甚至是GΩ级别，所以往往会由于阻抗不匹配而造成较低的输出功率。

与传统的绝缘聚合物摩擦发电不同，半导体与半导体或者半导体与金属的摩擦所产生的输出，具有直流、高电流密度以及低阻抗的特性。

半导体直流摩擦纳米发电机与传统摩擦纳米发电机相比，它们的结构与输出信号都有较大的差别，如下图所示。

在传统摩擦纳米发电机的接触分离和水平滑动模式中(如图(a)和(b)所示)，两个摩擦层之间需要通过外力来改变接触面积，使表面的静电场发生变化，从而驱动感应电荷在电路中流动。因此，它的输出具有交流特性，如图(h)所示。而半导体直流摩擦纳米发电机的两个摩擦材料之间不依赖接触面积变化来产生电输出，在摩擦过程中可以保持完全接触的状态，如图(c-g)所示。

与传统摩擦纳米发电机的发电原理不同，它可能是通过某种半导体特性(如激发非平衡载流子等)来产生电输出的。因此，在半导体与某种摩擦材料的持续摩擦过程中，它能够产生直流电输出，如图(i)所示。

半导体直流摩擦纳米发电机是由物体(如半导体或金属等) 在半导体表面摩擦而产生直流电输出，所以它的工作机理可能与半导体表面效应相关。以金属和半导体为例，在它们接触后往往会形成一个肖特基结，半导体表面附近能带会发生不同程度的弯曲如下图所示。

在金属与n型半导体接触时，n型半导体的费米能级通常会高于金属(Ee,s > EFm)，导致电子将从半导体向金属流动，使半导体表面的能带向上弯曲。

在肖特基结达到热平衡状态后，它们的费米能级处于同一水平上(金属的费米能级上升，n型半导体的费米能级下降)。由于电子的转移，金属表面带负电，半导体表面带正电，且它们所带电荷量相等，使整个系统仍处于电中性状态。

结果是，因为它们表面所带不同电荷，在半导体表面处形成了一个内建电场，它的方向由半导体指向金属的。同理，由于p型半导体的费米能级往往低于金属(Ee,s > EFm)，在它们接触之后，电子从金属流向半导体，此时半导体表面的能带向下弯曲，如上图(e-f)所示。

GaN基直流摩擦纳米发电机的输出特性研究

在本实验中，用GaN与其它的材料，如Si、Cu、Al和Fe等，进行摩擦发电实验。GaN基直流摩擦纳米发电机的结构设计如图所示。

GaN基直流摩擦纳米发电机的结构设计示意图

它主要由两部分组成：上端自由滑动的的Si或金属滑块，底部固定不动的GaN晶片。金属或Si块的面积为1cm(1cm x1cm)，GaN的面积约为20 cm2(直径2英寸)，它们之间的接触面积为1cm为了保证发电机的良好性能以及实验的稳定性，首先需要给滑块施加一定的正压力，使其能够紧贴在GaN表面。

然后在摩擦平台的控制下，以一定的速度推动着滑块在GaN的表面运动。GaN基直流摩擦纳米发电机的电输出测量方式如图中电路所示。

在GaN和滑块的电极之间连接电流表和电压表等测量设备，用来测量发电机工作时的摩擦电输出。此外，如果滑块是金属材料，则不需要图中的额外电极。图中的电压表和电流表的正极都是连到GaN晶片的电极上，因此在本工作中，由GaN电极流向滑块电极的电流方向为正。

除了半导体与半导体摩擦，金属与半导体摩擦也同样存在摩擦伏特效应。在本实验中，我们选择Fe、Al和Cu等金属与性能较好的n-GaN进行摩擦实验。下图为金属在n-GaN表面的单个运动周期所产生的一个电信号。

Fe、Al和Cu与n-GaN摩擦所产生的开路电压分别达到1V、1.2V和2V，短路电流分别达到0.4 A、0.5 A和 0.7 uA。金属 Cu 与 n-GaN 摩擦所产生的电输出最高，金属与n-GaN摩擦产生的输出远低于n-GaN/Si。

相较于传统的摩擦纳米发电机，半导体直流摩擦纳米发电机具有较高的电流密度和功率密度。因此在近几年，它已经成为一个热门的研究方向。在以往的半导体直流摩擦纳米发电机研究中，黑磷-硅的输出达到了6.1V。

对比以往的半导体直流摩擦纳米发电机，本工作中的 GaN基直流摩擦纳米发电机的输出电压具有明显的优势。从下图中的开路电压对比可知，GaN基直流摩擦纳米发电机的输出比以往的输出高了一个数量级。

基于氮化镓的摩擦伏特效应

以GaN/Si直流摩擦纳米发电机为例，Si的表面态要高于GaN，如下图(a)所示。当它们接触之后(或轻微摩擦时)，原子的电子云出现重叠，导致表面态高的Si电子转移至GaN表面，如图(b)所示。并且当摩擦更剧烈时，Si表面的电子变得更加活跃，导致从Si转移到 GaN的电子数量变多，如图(c)所示。电子在两个材料间的转移，使得Si表面带正电荷，GaN表面带负电荷，这就使得表面形成一个界面电场，它的方向由Si指向GaN。

通过滚动和滑动两种摩擦方式，使AI轮子在GaN表面运动，发现滑动时的输出明显高于滚动时的输出。这说明GaN基直流摩擦纳米发电机必须要有摩擦能量的输入，才能产生电输出。因此，发电机中的载流子是由摩擦能量激发的。

此外，滚动和滑动时的正压力相同的，因此在垂直方向上，c面GaN的压电效应也是一样的。但在滚动过程中却没有造成太高输出，说明GaN的压电效应并不是发电机形成输出的主要原因。最后，研究GaN/Si直流摩擦纳米发电机在不同的正压力下和速度的输出特性，发现发电机的输出随着正压力或速度的增加而提高，说明注入到发电机的摩擦能量越多，被激发的载流子越多，造成了更高的输出。如下图所示。

结合界面电场与载流子激发等实验结论，对基于GaN的摩擦伏特效应进行阐述：

首先由于摩擦过程存在接触起电，GaN与Si或金属的表面形成了一个界面电场；非平衡载流子被摩擦能量激发，然后收到了界面电场和内建电场的电场力作用，定向流动而形成电流；界面电场的强度高于内建电场，因此非平衡载流子的运动方向由界面电场决定；如果摩擦运动加剧，会增强界面电场，激发的非平衡载流子也会变多，使GaN基直流摩擦纳米发电机的输出得到提高。

生活中几乎处处都存在摩擦，但这些摩擦损耗的能量基本无法被回收利用。但摩擦纳米发电机的出现使这种能量回收成为可能特别是不需要复杂结构设计的半导体直流摩擦纳米发电机，更适用于回收各种摩擦能量。

参考文献：

《能源危机可能威胁全球经济复苏》

《能源问题与国家经济安全》

《悬臂梁压电式振动发电机材料性能优化研究》