杨卓青研究员与中科院王中林院士合作在摩擦纳米发电理论研究中取得重要进展

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近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系杨卓青研究员团队与中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队合作，把摩擦纳米发电理论延伸到有磁性的材料中。基于麦克斯韦方程组，首次从理论上推导并证实了磁化效应对摩擦纳米发电机（TENG）输出的贡献，使其与现有的极化效应构成更为统一的理论体系，相关论文“Contribution of ferromagnetic medium to the output of triboelectric nanogenerators derived from Maxwell’s equations”在线发表于国际著名期刊《Advanced Energy Materials》（影响因子：25.245）。
        摩擦起电是生活中最常见的物理现象，自2012年由王中林院士发明摩擦纳米发电机以来，摩擦发电已逐渐成为环境能源收集的主流技术之一。此外，随着物联网的蓬勃发展，其需要分布广泛的各类传感器，以用于健康监控，医疗保健和环境保护等。目前，传统的供能技术仍是采用电池，但是寿命有限，高的维护成本和环境问题等使其不适合作为基于物联网技术的供能策略。因此，迫切需要开发基于发电机的自供电系统以满足能源收集和器件传感的需求。摩擦纳米发电机耦合了接触带电和静电感应，由于其优异的输出特性，可有效收集低频、杂乱无章的散落能量，而且效率高和成本低，目前已在多个领域得以广泛应用，如微纳能源、自驱动传感和蓝色能源等。

图1 摩擦纳米发电机的工作原理示意图

图2 纳米发电机作为微/纳能源、用于蓝色能源和自供能传感器的主要应用领域

        该研究基于对麦克斯韦方程组的理论推导，预测了空间变化的磁场对摩擦纳米发电机位移电流的影响，并重新定义和解释了摩擦纳米发电机的输出特性。研究表明，除了极化效应，磁化效应也可以对摩擦纳米发电机的输出产生重要影响，这是从摩擦纳米发电机诞生以来，首次发现磁效应对其输出特性的贡献。研究还在实验上研制了基于铁磁介质的单电极TENG，表明基于铁磁电极TENG的电学输出要明显高于基于非铁磁电极TENG。研究还发现TENG的输出行为与外部磁场环境密切相关，从而进一步验证了所提出的TENG相关理论分析。

图3 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

       该研究工作是对现有TENG基础理论研究必不可少的补充，将有助于构建一个完整而统一的理论体系，并将为摩擦电器件的理论机理提供深刻的理解和有意义的指导。

图4 基于麦克斯韦方程组的铁磁介质增强TENG输出特性的机理分析

       上海交通大学为上述工作第一完成单位，电子信息与电气工程学院博士研究生李亚辉为该论文的第一作者。上海交通大学杨卓青研究员、中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、张弛研究员为该论文共同通讯作者。
       论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202003921


       文章来源：上海交通大学
       杨卓青，1982年4月生，2003年本科毕业于哈尔滨工程大学机电工程学院，并被保送继续攻读硕士学位，获得材料物理与化学专业硕士学位，2006年入上海交通大学微电子学与固体电子学专业攻读博士学位，2010年3月毕业获得工学博士学位，并留校任教继续从事相关科研工作。目前研究工作主要包括MEMS惯性开关器件、PowerMEMS、封装以及微纳柔性3D集成传感技术。先后主持承担国家自然科学青年基金、面上项目，国家“863”项目子课题，总装瓶颈项目子课题，教育部装备预研联合基金，上海市“浦江人才计划”项目，以及国家级重点实验室开放基金等项目。
       王中林﹐1982毕业于西北电讯工程学院(现名西安电子科技大学)﹐并于同一年考取中美联合招收的物理研究生(CUSPEA)。1987 年获亚利桑那州立大学物理学博士, 从师于国际电子显微学权威 John Cowley 教授。王博士现是佐治亚理工学院终身校董事讲席教授,Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。他是中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家。
        张弛，中国科学院北京纳米能源与系统研究所青年研究员，博士生导师，摩擦电子学研究组负责人。2004年获华中科技大学学士学位，2009年获清华大学博士学位。曾在清华大学从事博士后研究工作，并赴日本NSK精工株式会社研修。主要从事纳米能源、耦合传感和微纳集成系统领域的研究，集中于摩擦纳米发电机、摩擦电子学与摩擦光电子学器件、自驱动MEMS/NEMS智能器件与集成系统等，并开展其在传感器网络、人机交互和新能源等领域的应用研究。近年来在摩擦纳米发电机新原理、新应用等方面开展了一系列原创性研究，并首次提出了由摩擦电和半导体耦合的摩擦电子学新研究领域，在摩擦电子学基础理论、材料多样性、功能器件以及阵列化集成等方面取得了具有重要国际影响力的研究成果。已在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Energy、Nano Today等国际权威学术期刊上发表论文50余篇，获14项专利授权，多次参加重要国际会议并做邀请报告。曾获NSK中日友好机械工学优秀论文奖、中国博士后科学基金面上资助和特别资助，主持国家自然科学基金青年科学基金项目、面上项目和北京市自然科学基金预探索项目。现为中国科学院青年创新促进会会员，中国微米纳米技术学会高级会员、青年工作委员会委员、微纳传感技术分会理事，NANOSMAT学会会士。