随着人工智能、大数据和物联网的快速发展，人们对小型化和分布式电源的需求急剧增加。与传统的电磁发电机和太阳能电池相比，摩擦纳米发电机（TENG）在转换随机、低频机械能方面表现出更好的效率。王中林院士在2019年提出了摩擦伏特效应，研究发现半导体之间相互摩擦也能够产生电荷转移，并且其产生的电流为直流电且具有很大的电流密度，这一点相比于传统由绝缘体材料组成的TENG具有一定的优势。尽管已经报道了许多基于摩擦伏特效应的发电器件（TVNG），但尚未探索出非常理想的应用。
中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、朱来攀副研究员等人报道了一种由MXene层和半导体硅晶片组装而成的基于摩擦伏特效应的纳米发电机（MS-TVNG）。在4.56 N的法向力和2 m/s的滑动速度下，对于P型硅片，MS-TVNG的输出峰值电流高达22 µA，并且具有出色的耐磨性和稳定的输出特性。此外，其性能可以通过硅片的掺杂类型和浓度、两个摩擦表面之间的压力、滑块的相对滑动速度来调整。这项工作证明了MS-TVNG可作为高性能自供电速度传感器，并在位移、张力、摆动角和振动检测等方面具有出色的应用潜力。该研究以题为“Tribovoltaic Nanogenerators Based on MXene-Silicon Heterojunctions for Highly Stable Self-Powered Speed, Displacement, Tension, Oscillation Angle, and Vibration Sensors”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。基于Ti3C2Tx MXene的滑块是通过压片法将MXene粉末分散在铜带上并施加高压而制备的，由此形成的基于MXene的滑块包括顶部铜电极和MXene膜。作者用氢氟酸蚀刻硅片表面后，使用磁控溅射法溅射约50 nm厚的Au底部电极，最后使用外部电路连接底部和顶部电极。MXene薄膜可以与硅片表面良好接触，并在线性电机的外力作用下滑动，摩擦时能够产生直流电输出。输出信号是连续的，能有效响应滑动速度的变化。这可能是由于MXene薄膜可以保持过渡金属碳化物的金属导电性，从而导致高输出性能。为了凸显MS-TVNG的优越性能，作者将Cu基和MXene基TVNG在相同的实验条件下进行比较。与基于Cu的TVNG（0.18 µA）相比，基于MXene的TVNG产生的输出电流（5.8 µA）高出30倍以上。作者改变硅晶片的类型、施加的压力和滑动速度，以研究它们对电输出的影响。对于不同类型的硅晶片，电信号的方向似乎是相反的。对于N型硅片，随着掺杂浓度的增加，更高的电子填充费米能级会产生更强的内建电场，从而促进载流子的漂移传输。对于P型硅片，其最大输出电流和电压分别为-22 µA和-140 mV。MS-TVNG的输出可以通过增加压力来增强，更大的压力使载流子获得更大残余键形成能，因此导致载流子数量增加。此外，MS-TVNG的直流电流几乎随滑动速度的增加呈线性增加。作者还对Cu基和MXene基TVNG的耐久性进行测试。相比之下，210分钟后MS-TVNG的电流更高、更稳定，甚至随着时间的推移略有增加，显示出其优越的耐磨性和稳定性。因此，将MS-TVNG用于自供电传感应用会更有前景。由于MXene的特性和TVNG的工作原理，MS-TVNG可以产生准确、连续和实时的直流电信号，不仅可用于自供电速度传感器，而且在高性能位移、张力、摆动角和振动传感方面具有很大的应用潜力。电流输出与滑块的相对滑动速度成正比，因此调节滑块的滑动速度使其可以用作速度传感器。其次，该设备可以充当位移传感器。利用外力将滑块拉到不同的距离，滑块获得不同的弹性势能，因此释放时滑块的初始速度也会不同，使得出拉伸距离与输出电流成正比。即使最小位移间隔为0.25 cm，器件仍然可以提供位移和电流间良好的线性关系，证明了其作为位移传感器的可靠性。根据此原理，作者还制造了张力传感器和振动传感器，输出电流随着张力和振荡幅度的增加而线性增加。总结：作者发现MXene的独特金属特性可使其在硅晶片上滑动时产生实时直流电流。所构成的MS-TVNG的输出电流是传统铜基TVNG的30倍。此外，硅片的掺杂类型、两个摩擦面之间的压力以及滑块的滑动速度对MS-TVNG的输出性能有显著影响。作者以此提出了基于MS-TVNG的速度、位移、张力、摆动角和振动传感器，为基于摩擦伏特效应原理的新设备研究和工程应用提供了巨大的机会。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202113149来源：高分子科学前沿
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