第一作者：黃驥，付賢鵬，劉國旭
通訊作者：李曉煒，張弛
通訊單位：北京理工大學，中國科學院北京納米能源與系統研究所，
研究亮點
1. 提出了一種利用飛秒激光直寫加工微/納復合結構的高性能摩擦納米發電機。
2. 利用飛秒激光分別在銅和PDMS摩擦面直寫加工了微/納條形、微/納角錐的“凸”結構以及不同大小微碗的“凹”結構。
3. 微/納角錐的銅摩擦面和大尺寸微碗的PDMS摩擦面組成的摩擦納米發電機具有最優的輸出性能，輸出功率提高了21倍。
背景介紹
隨著微納機電系統（MEMS/NEMS）功耗的不斷降低，使得直接轉化環境微機械能為微納機電系統供能成為了可能。摩擦納米發電機（TENG）是基于機械界面摩擦起電與靜電感應耦合效應的新能源技術，在微納能源、藍色能源、高壓源以及主動式傳感等領域有著廣泛的應用前景。在TENG的實用化進程中，各種微納加工方法被用于提高TENG的輸出性能。然而，等離子刻蝕、微-納結構轉印以及納米顆粒摻雜等微/納加工方法在加工效率、材料多樣化以及成本等方面存在缺陷，不利于高性能TENG的大規模生產。
飛秒激光直寫加工是利用飛秒激光超短周期和超高強度的特點，快速的在不同材料的表面或內部靈活的加工各種各樣的微/納結構，為微/納結構的高效制備提供了一種靈活、通用的方法。飛秒激光可以加工的材料不局限于金屬、聚合物、半導體以及生物組織等，滿足了TENG對多樣化摩擦副材料的需求。同時，飛秒激光直寫加工的高效性也為高性能TENG的大規模生產提供了保障。
成果簡介
近日，北京理工大學李曉煒教授團隊和中國科學院北京納米能源與系統研究所張弛研究員團隊設計了一種基于飛秒激光直寫加工微/納復合結構的高性能TENG。利用飛秒激光在TENG的兩個摩擦面分別加工了微/納條形、微/納角錐的“凸”結構以及不同大小微碗的“凹”結構，利用“凸”結構和“凹”結構的相互配合，顯著的提高了TENG的輸出性能。圖1展示了微/納結構的制備過程以及TENG的電荷轉移原理圖。
圖1. 高性能TENG加工過程及工作原理示意圖. a. 銅和PDMS表面微/納結構制備流程圖; b. TENG結構示意圖; c. TENG電荷轉移原理圖
要點1. 不同微/納結構在不同材料表面的高效制備
飛秒激光可以對金屬、聚合物、半導體以及生物組織等多種材料進行微/納加工，滿足了TENG對多樣化摩擦副材料的需求。本文利用飛秒激光在TENG的兩個摩擦面分別加工了微/納條形、微/納角錐的“凸”結構以及不同大小微碗的“凹”結構，各種微/納結構的形貌表征如圖2所示。可以看出，各種微/納結構形貌完整且具有良好的一致性。更重要的是，利用飛秒激光在8×8 mm2的PDMS表面加工微碗結構僅需要40 min，超快的加工速度為高性能TENG的大規模制造提供了保障。
圖2. 摩擦面微/納結構形貌表征. a,d, g, j. 俯視的SEM圖; b, e, h, k. 側傾30°的SEM圖; c, f, i,l. 3D表面輪廓圖.
要點2. TENG輸出性能的大幅度提升
通過研究具有不同微/納結構TENG的輸出性能表明，不同微/納結構對TENG的輸出性能均有一定程度的提高。如圖3所示，微/納角錐的銅摩擦面和大尺寸微碗的PDMS摩擦面組成的TENG具有最優的輸出性能，相比于未加工微/納結構的TENG，輸出的開路電壓、表面電荷密度分別提高了4.13和4.58倍。
圖3. TENG電輸出特性研究. a, c, e. TENG輸出開路電壓、短路電荷量、短路電流波形圖; b, d, f. TENG輸出開路電壓、表面電荷密度、短路電流總結圖.
要點3. 卓越的負載性能和輸出穩定性
相比于輸出電壓、電荷密度以及電流的提升， TENG輸出功率的提升更為顯著。如圖4所示，TENG輸出的瞬時功率提升有21倍之多。在整流以后，3 min可將1μF電容充電到4.73V。與此同時，在保證性能提升的前提下，TENG仍然具備優異的穩定性，在循環27000個周期后，輸出開路電壓僅下降2.6%。卓越的負載性能和輸出穩定性拓展了TENG的應用領域。
圖4. TENG的負載特性研究. a. TENG電阻匹配曲線; b. TENG計算瞬時功率曲線; c. 1 μF電容充電曲線; d. 電容充電電壓; e. TENG驅動LED燈; f. TENG穩定性測試.
小結
綜上所述，本文提出了一種飛秒激光直寫加工微/納復合結構的高性能摩擦納米發電機。利用飛秒激光在TENG的兩個摩擦面分別加工了微/納結構，顯著的提高了TENG的輸出性能。通過研究表明，微/納角錐的銅摩擦面和大尺寸微碗的PDMS摩擦面組成的TENG具有最優的輸出性能。相比于未加工微/納結構的TENG，輸出的開路電壓、表面電荷密度分別提高了4.13和4.58倍。更重要的是，TENG的輸出功率提高有21倍之多。該工作為高性能TENG的大規模制造提供了一種高效的微/納加工方法，大大的加快了TENG的實用化進程。
參考文獻：
Ji Huang1,Xianpeng Fu1, Guoxu Liu1, Shaohang Xu, Xiaowei Li*,Chi Zhang*, Lan Jiang. Micro/nano-structures-enhanced triboelectric nanogenerators by femtosecond laser direct writing. Nano Energy, 2019,
DOI:10.1016/j.nanoen.2019.05.081
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519304872
