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【Adv. Mater】纳米尺度接触起电过程中的电子转移:温度对金属-绝缘体的影响

       在大约2600年前的古希腊时期,人们第一次观察到接触起电(contact electrification ,CE),但接触起电现象至今没有十分清晰的物理学解释。随着摩擦纳米发电机作为能量收集器件的研究不断深入,摩擦起电的内部电荷转移和转移机制成为有待解决的重要课题。

       近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士研究团队在摩擦纳米发电机电荷转移机理的研究中取得重要进展,相关研究发表在《先进材料》上(https://doi.org/10.1002/adma.201808197),文章对在不同温度条件下金属和绝缘体界面接触过程中的接触起电和摩擦起电过程进行探究,在原子力显微镜和开尔文力显微镜的辅助下,作者发现在纳米尺度下电荷的转移过程符合热电子激发模型,并且作者还聚焦于温度对两种摩擦起电材料接触起电过程的影响,研究发现温度更高的物体更倾向于接受带正电的摩擦电荷,而温度较低的物体更倾向于带负电,这也表明了温度差异引起的电荷转移可以归因于热电子激发模型(即电子可以被热激发并从高温物体转移到低温物体),此外还提出了热电子能带结构模型来解释两个不同温度物体之间的电荷转移。该研究也表明摩擦引起的温度差异可以使两个相同的材料出现接触起电现象。

图文导读:

 

图1. AFM实验的示意图。(a)AFM实验平台的设置。(b)峰值力模式的力曲线。(c,d)峰值力模式轻敲之前探针的SEM图像。(e,f)峰值力模式轻敲之后探针的SEM图像(放大倍数大于6.5×105)。(g)通过AFM测量的SiO2样品形貌图。(h)XPS检测点阵列。(i)SiO2样品的XPS光谱图。


图2.不同温度下SiO2样品表面摩擦电荷的产生和消散。(a)在不同温度下SiO2样品与Au涂层尖端接触引起的表面电位的变化。(b)温度对尖端和SiO2样品之间转移电荷密度的影响。(c)不同温度下SiO2表面电位的衰减。(d)在不同温度下SiO2表面转移电荷密度的衰减。


图3.温差对镀金针尖与SiO2试样接触起电性能的影响。样品温度分别为:a) 313k,b) 343 K, c) 373 K, d) 403 K,对应的尖端温度在313 ~ 433 K之间变化。


图4.金针尖和试样之间温差对针尖与氧化铝、AlN、Si3N4试样接触起电性质的影响。a,c,e)当针尖和试样温度升高时,(a) Al2O3、(c)AlN和(e)Si3N4表面转移电荷密度的变化。b,d,f) 在试样温度保持在313k时,(b) Al2O3、(d)AlN、(f) Si3N4上转移电荷密度与针尖温度的关系。


图5.温度差异诱导电荷转移的能带结构模型(Ef > E0)。a,c,e)在不同温度条件下金属的能带结构和绝缘体的表面态示意图,(a)当金属温度低于绝缘体温度时,(c)金属温度等于绝缘体温度,(e)金属温度高于绝缘体温度,b,d,f) 在不同温度条件下金属与绝缘体之间的电荷转移示意图,(b)当金属温度低于绝缘体温度时,(d)金属温度等于绝缘体温度,(f)金属温度高于绝缘体温度。


图6.温度差异诱导电荷转移的能带结构模型示意图(Ef > E0)。a,c,e)在不同温度条件下,金属的能带结构和绝缘体的表面状态,(a)当金属温度与绝缘体温度相等时,(c)金属温度高于绝缘体温度时,(e)金属温度远高于绝缘体温度时b,d,f)在不同温度状态下金属与绝缘体之间的接触电荷转移示意图,(b)当金属温度等于绝缘体温度时,(d)金属温度高于绝缘体温度,(f)金属的温度远远高于绝缘体温度。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201808197

本研究得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、北京市科委的经费支持