清華新聞網(wǎng)4月19日電 近日，清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心鄭泉水院士研究組在結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域取得重要突破，首次從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)超滑微發(fā)電機(jī)。技術(shù)上，基于動(dòng)態(tài)肖特基節(jié)原理的這個(gè)原型樣機(jī)，在4微米見(jiàn)方的超滑接觸面，不僅實(shí)現(xiàn)了極高的電流密度(～210 Am-2)和功率密度(～7 Wm-2)，還具有幾乎無(wú)限的壽命。科學(xué)上，該工作還首次排除了摩擦誘導(dǎo)的激發(fā)機(jī)制，并給出了金屬/半導(dǎo)體相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中非平衡電子漂移過(guò)程導(dǎo)致發(fā)電的物理過(guò)程。這項(xiàng)工作將指導(dǎo)和加速超滑微發(fā)電機(jī)在未來(lái)的應(yīng)用。
肖特基超滑發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、輸出電流和摩擦力，及其與傳統(tǒng)肖特基發(fā)電機(jī)的對(duì)比。(a)石墨島/ n型硅形成的肖特基超滑發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。(b)石墨島/ n型硅形成的肖特基超滑發(fā)電機(jī)的光學(xué)顯微鏡圖像。(c)肖特基超滑發(fā)電機(jī)的前2,000個(gè)循環(huán)的電流圖。(d)肖特基超滑發(fā)電機(jī)在不同速度下的摩擦力（紅色）和電流（藍(lán)色）與滑動(dòng)循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。(e)納米針尖與n型硅形成的傳統(tǒng)肖特基發(fā)電機(jī)的前56個(gè)循環(huán)的電流圖，以及結(jié)構(gòu)示意圖。(f)傳統(tǒng)肖特基發(fā)電機(jī)的摩擦力（紅色）和平均電流（藍(lán)色）與滑動(dòng)循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。
隨著微米納米制造技術(shù)的飛速發(fā)展，不斷微型化的傳感器和器件正在物聯(lián)網(wǎng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)，大數(shù)據(jù)，私人健康系統(tǒng)，人工智能等領(lǐng)域中大量應(yīng)用。然而到目前為止，這些微型器件和傳感器主要仍由電池或者外部充電設(shè)備供電，這嚴(yán)重限制了其發(fā)展和應(yīng)用場(chǎng)景，尤其是對(duì)需要進(jìn)行獨(dú)立，可持續(xù)，免維護(hù)操作的微型器件，例如植入式生物傳感器，遠(yuǎn)程和移動(dòng)環(huán)境傳感器，納米/微型機(jī)器人，便攜式/可穿戴式個(gè)人電子設(shè)備等等，外部供電的方式將變得十分困難，甚至不可實(shí)現(xiàn)，而若采用電池這類(lèi)消耗式電源，如何更換電池和反復(fù)對(duì)其充能又成為了一個(gè)非常復(fù)雜且困難的問(wèn)題，同時(shí)目前小尺度的化學(xué)電池也面臨著諸多的困難。
微發(fā)電機(jī)指的是一種能夠在極其微弱的外界激勵(lì)下，將激勵(lì)能量轉(zhuǎn)化為電能的器件，同時(shí)其具有結(jié)構(gòu)尺寸微小，適用范圍廣泛等特點(diǎn)。但是，極低的電流密度和較短的使用壽命導(dǎo)致具有上述優(yōu)點(diǎn)的微發(fā)電機(jī)至今沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)很重要的原因是在小尺度下，摩擦和磨損帶來(lái)的問(wèn)題被顯著的放大，導(dǎo)致其失效。因此，亟待從源頭上尋找革命性的技術(shù)方法突破摩擦、磨損瓶頸問(wèn)題，以推動(dòng)微發(fā)電機(jī)真正走到實(shí)際應(yīng)用。結(jié)構(gòu)超滑(Structural Superlubricity)指的是兩個(gè)完全接觸的固體表面在滑動(dòng)過(guò)程中，保持幾乎為零的摩擦力和零磨損的狀態(tài)。2012年鄭泉水團(tuán)隊(duì)第一次在在大氣環(huán)境中、以m/s的速度實(shí)現(xiàn)了微米尺度結(jié)構(gòu)超滑，為上述瓶頸問(wèn)題的解決帶來(lái)了曙光。最近，在深圳市政府和深圳市坪山區(qū)政府資助下，鄭泉水領(lǐng)銜建立了全球第一個(gè)結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)研究機(jī)構(gòu)——深圳清華大學(xué)研究院超滑技術(shù)研究所。
近期，一種新型的微發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)被提出，即通過(guò)金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基節(jié)在相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生直流電信號(hào)(簡(jiǎn)稱(chēng)肖特基發(fā)電機(jī))，其相比于傳統(tǒng)的靜電感應(yīng)式微發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電流密度高等優(yōu)點(diǎn)。然而，到目前為止，所有報(bào)道的肖特基發(fā)電機(jī)都無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)足夠高的電流密度和足夠長(zhǎng)的使用壽命，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。我們猜測(cè)導(dǎo)致上述瓶頸的根本原因是大多數(shù)報(bào)道的肖特基發(fā)電機(jī)均基于摩擦激發(fā)產(chǎn)生電流的機(jī)制。但是，可能存在另一種產(chǎn)生電流的機(jī)制，即通過(guò)滑動(dòng)過(guò)程中耗盡層建立和破壞形成的非平衡漂移電流來(lái)產(chǎn)生電流，可以解決上述的瓶頸問(wèn)題，而結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)則提供了一種巧妙的手段來(lái)驗(yàn)證該機(jī)制。本次報(bào)道的工作正是采用石墨島和原子級(jí)平整的n型硅形成的肖特基超滑發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的高電流密度(～210 Am-2)和功率密度(～7 Wm-2)，而且更重要的是在保持穩(wěn)定的高電流密度(～119 Am-2)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了至少5,000個(gè)周期的長(zhǎng)壽命。進(jìn)一步的，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)中極低的摩擦力排除了摩擦激發(fā)機(jī)制，首次揭示了肖特基發(fā)電機(jī)中還存在其他產(chǎn)生電流的機(jī)制，并通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)有限元模擬證明耗盡層建立和破壞形成的非平衡漂移電流是肖特基超滑發(fā)電機(jī)中最有可能產(chǎn)生電流的機(jī)制，并給出了該機(jī)制的物理圖像和過(guò)程。
該工作以“具有高電流密度和超長(zhǎng)壽命的微型肖特基超滑微發(fā)電機(jī)”（Microscale Schottky superlubric generator with high direct-current density and ultralong life）為題，2021年4月16日在線(xiàn)發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。鄭泉水的博士生黃軒宇為該論文第一作者；鄭泉水為通訊作者。論文合作者還包括深圳清華大學(xué)研究院超滑技術(shù)研究所的向小健博士、聶錦輝博士和姜海洋博士，清華大學(xué)的彭德利博士、錢(qián)班本科生楊馥瑋、博士生吳章輝、徐志平教授。
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https://www.nature.com/articles/s41467-021-22371-1
供稿：航院
編輯：李華山
審核：呂婷
