清華新聞網(wǎng)3月17日電 接觸起電（CE）作為一種普遍的自然現(xiàn)象，可以在處于不同物理狀態(tài)（固體、液體和氣體）的任何材料之間發(fā)生。此前，有研究證實(shí)CE能以多種運(yùn)動(dòng)形式發(fā)生在壓電納米發(fā)電機(jī)（PENG）中，包括界面剪切摩擦、納米填料滑移、預(yù)先存在的靜電荷和接觸摩擦。接觸物體和壓電器件產(chǎn)生的摩擦電信號(hào)可能很強(qiáng)，從而使得壓電器件的輸出中含有較大比例的摩擦電成分。然而，以往很多工作忽略了這部分摩擦電信號(hào)的貢獻(xiàn)，將壓電器件的輸出視為單一的壓電信號(hào)，導(dǎo)致其性能可能被夸大。此前，由于缺乏可靠的方法來(lái)區(qū)分壓電信號(hào)和摩擦電信號(hào)，阻礙了人們揭示復(fù)合信號(hào)的起源過(guò)程，從而導(dǎo)致無(wú)法正確分析摩擦電信號(hào)的影響和評(píng)估壓電效應(yīng)的真實(shí)貢獻(xiàn)。最終，壓電材料的性能可能得到錯(cuò)誤評(píng)價(jià)。因此，開(kāi)發(fā)一種從壓電信號(hào)中識(shí)別和提取壓電分量的方法對(duì)于定量評(píng)估壓電材料的性能尤為重要。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院楊誠(chéng)副教授與中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士合作，提出了一種從摩擦電-壓電復(fù)合信號(hào)中分離壓電信號(hào)的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓電材料性能的準(zhǔn)確評(píng)估。
研究人員以常見(jiàn)的商用PVDF壓電器件為模型對(duì)象，發(fā)現(xiàn)混合輸出中的摩擦電信號(hào)所占比例較大，對(duì)器件壓電性能的評(píng)估影響較大。該文創(chuàng)新地引入器件的受力-時(shí)間曲線(xiàn)作為解耦摩擦電信號(hào)和壓電信號(hào)的手段，可完整分離出壓電信號(hào)和摩擦電信號(hào)各自的分量。通過(guò)比較力-時(shí)間和電信號(hào)曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在器件與物體接觸前后，記錄的電信號(hào)屬于摩擦電貢獻(xiàn)，而相互接觸之后得到的電信號(hào)則歸因于壓電效應(yīng)。此外，作者成功地從混合信號(hào)輸出中定量提取出了壓電電荷轉(zhuǎn)移并計(jì)算出有效壓電系數(shù)（d33），該結(jié)果與其他方法測(cè)量的結(jié)果一致。因此，通過(guò)引入器件的受力曲線(xiàn)，我們可以清晰地分離混合信號(hào)，且精度僅取決于力信號(hào)和電信號(hào)的分辨率。這項(xiàng)工作提供了一種在實(shí)際測(cè)量中闡明真實(shí)壓電性能的有效方法，這對(duì)于公平且正確地評(píng)估壓電材料至關(guān)重要。同時(shí)，該工作闡明了摩擦電信號(hào)和壓電信號(hào)的耦合方式，為科學(xué)地設(shè)計(jì)和分析摩擦電-壓電納米發(fā)電機(jī)提供了理論支撐。
圖1.SE-TENG和PENG同時(shí)存在于壓電器件的使用過(guò)程，但二者產(chǎn)生的信號(hào)在時(shí)間上存在差異
圖2.在壓縮測(cè)試中驗(yàn)證SE-TENG
圖3.利用加載力信號(hào)區(qū)分單一摩擦電信號(hào)和單一壓電信號(hào)
圖4.PVDF基器件在負(fù)極化方向上產(chǎn)生的摩擦電-壓電混合輸出
圖5.通過(guò)從混合輸出中提取壓電電荷轉(zhuǎn)移來(lái)評(píng)估PVDF薄膜的壓電性能
該工作近期以“一種從接收到的‘壓電’信號(hào)中定量分離壓電分量的方法”（A method for quantitatively separating the piezoelectric component from the as-received“Piezoelectric”signal）為題發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。
論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院材料研究院楊誠(chéng)副教授和中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2018級(jí)材料工程碩士生陳超杰。論文作者還包括深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)碩士趙世龍和博士后王方成、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員、香港中文大學(xué)訾云龍教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、廣東省珠江人才計(jì)劃、廣東省科技廳等單位的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29087-w
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：呂婷
