中科院海洋研究所，最新Nature系列綜述：摩擦納米發(fā)電機與場效應晶體管！
2025-07-16 11:17:47
作者：本網發(fā)布 來源：高分子科學前沿
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物聯(lián)網 (IoT) 基礎設施的實際部署面臨著巨大的能源需求。為了應對這一需求，摩擦納米發(fā)電機和場效應晶體管 (FET) 催生了摩擦電子晶體管和液滴發(fā)電機 (DEG)。前者通過將機械刺激轉化為摩擦電勢來實現(xiàn)主動機械感知，后者則通過受 FET 啟發(fā)的架構的體效應來提高雨滴能量收集的效率。鑒于此，中科院海洋研究所王鵬研究員探討了摩擦電子晶體管和 DEG 的工作機制和設計原理，并重點介紹了它們無縫集成到全球物聯(lián)網網絡所必須克服的關鍵科學和技術挑戰(zhàn)。他們重點介紹了用于物聯(lián)網數據收集、存儲和處理以及近乎永久的物聯(lián)網網絡中環(huán)境能量收集的先進設備的開發(fā)，以促進觸覺傳感器、人工突觸、能量收集器和自供電傳感器等物聯(lián)網應用的進步。最后討論了需要進一步研究的關鍵領域，包括理解基本機制、優(yōu)化系統(tǒng)設計以及解決摩擦電子晶體管和 DEG 在大型物聯(lián)網網絡和自供電傳感器中的應用所面臨的實際挑戰(zhàn)。相關論文以題為“Mutual promotion of triboelectric nanogenerators and field-effect transistors towards the IoT”發(fā)表在最新一期《Nature Reviews Electrical Engineering》上。物聯(lián)網在智慧城市、醫(yī)療、農業(yè)與家庭中的愿景，受制于數十億節(jié)點持續(xù)采集、存儲和處理數據的能耗壓力。TENG 可將觸碰、振動、風或雨滴等普遍機械刺激轉為電能，而低功耗 FET 則能減少數據處理能量需求。關鍵在于：當摩擦電荷直接加至 FET 柵極時，機械位移本身即可調制溝道導電，無需外部柵驅動；另一方面，把 FET 視作電極模板又啟發(fā)了新型 TENG 幾何結構，進一步提高電荷收集效率。兩者互補，可同時解決物聯(lián)網的“供能”與“節(jié)能”難題。作者將兩條曾經獨立的研究路線——摩擦電納米發(fā)電機（TENG）與場效應晶體管（FET）——定位為可持續(xù)、無處不在的物聯(lián)網（IoT）之互補基元（圖1）。作者指出，預計到2030年物聯(lián)網終端將超過320億個，若仍依賴傳統(tǒng)電池和電網，耗電的傳感器、存儲與無線單元將不堪重負。TENG 能把日常機械能量轉為電能，而先進 FET 能顯著降低運算與存儲功耗；當將 TENG 產生的高壓耦合到 FET 柵極時，機械事件便可直接調控載流子傳輸，形成自供能邏輯與感測。反之，以 FET 為靈感的電極布局又催生了能高效收集雨滴能量的“類晶體管”TENG。綜述圍繞“摩擦電子學晶體管”用于主動機械感知，以及“晶體管式 TENG”用于環(huán)境能量采集這兩大主題展開。圖 1. 摩擦納米發(fā)電機與場效應晶體管相互促進，共同推進物聯(lián)網發(fā)展首先是摩擦電子學晶體管基礎（圖2），摩擦電子學晶體管結合了 TENG 的摩擦層與電極，以及 FET 的源/漏/柵絕緣層與半導體溝道。在最早的接觸起電 FET（CEFET）中，Kapton 薄膜周期性接觸 Al 柵極；分離后形成表面電荷，產生的摩擦電勢 Vtribo作用于柵介質，調控溝道電流 IDS。Vtribo表面電荷密度、間隙距離及介電常數變化，可用經典 MOSFET 方程描述。設計要素主要分為三大類：（1）TENG 側：材料——如等離子蝕刻 PTFE 具高負電性；納米結構增強粗糙度與介電率。工作模式——接觸分離模式適合垂直按壓；滑動模式支持面內位移但磨損大；單電極模式封裝簡單但輸出較低。（2）FET 側：半導體——從 Si、IGZO 到柔性有機（P3HT、并五苯）及二維材料（石墨烯、MoS?、InSe）。高遷移率與低閾值可擴大開關窗口并降低功耗。（3）集成方式：垂直堆疊 電荷耦合最強，但需精密對準；平面并置 制程簡單，卻引入附加電阻稀釋電勢。關于典型物聯(lián)網器件（圖3），則可以分為：觸覺傳感器：InSe 摩擦電子學晶體管在 0.1V 漏極偏壓下實現(xiàn) 10? 的開關比和毫秒級響應，能量僅皮至飛焦耳。陣列已達 10×10 像素，向高分辨率電子皮膚邁進。非易失觸碰存儲器：浮柵俘獲摩擦注入電荷，可在無電源下保持 >6000s；石墨烯/hBN/MoS? 堆棧記憶窗口達 60V。人工突觸：控制浮柵電荷衰減模擬短/長時程可塑性，實現(xiàn)約 165aJ 每脈沖的體內計算。圖 3. 典型的基于摩擦電子晶體管的物聯(lián)網設備的表示作者從DEG 架構與機理兩個方面闡述了用于雨滴能量收集的類晶體管 TENG（圖4）。雨滴發(fā)電機（DEG）將 TENG 重新構想為三端“液體柵”晶體管：PTFE 介質（柵）覆于 ITO 底電極（源），雨滴展開時在水/介質界面形成電雙層；頂部懸浮電極（漏）接觸液面完成回路，液滴極化驅動外部負載電流。單滴峰值功率密度達 50.1Wm?²。設計策略主要分為：介質層：超疏水高負電材料（仿荷葉紋理）增強電荷，植入肖特基二極管可直接輸出直流，高壓可超 1kV。頂部電極：最佳垂直間隙約 0mm，電極應接觸最大擴展雨滴的邊緣。多層/共面布局：降低寄生電容，便于模塊化裝配；高熵陶瓷介層將單滴電壓推至 525V。面向物聯(lián)網的應用則可以是（1）環(huán)境能量收集：DEG 模塊可像光伏板一樣鋪設，但需解決大面積布線、整流損耗與機械耐久。與振動模式 TENG 疊層可提升約 30% 的能量輸出；與太陽電池共享電極能打造“全天候”混合板。（2）自供能傳感：雨滴接觸產生高信噪尖峰電流，用于微流控或管道流量監(jiān)測；功能化電極還能檢測細菌，最低可至 4.5×10³CFUmL?¹。圖 5. 基于液滴能量發(fā)生器的典型物聯(lián)網設備本文主要從基礎機制、器件設計、物聯(lián)網應用進行了分析總結：固-固與液-固接觸的原子級電荷轉移機理及其與新興半導體載流子輸運的耦合尚待定量化，需要更精細的流體 電荷耦合模型。未來介質層應兼具高介電、高負電性、可拉伸與可回收；半導體需平衡遷移率與機械柔性；電極則要求耐腐蝕、透明且柔軟。可用機器學習從原子力顯微測得的黏附與摩電系數數據庫中篩選最佳組合。摩擦電子學觸覺傳感仍受大應變線性度及高分辨率擴展限制；DEG 的高壓/低流間歇輸出給功率管理帶來挑戰(zhàn)。需材料、電子學和神經形態(tài)計算跨學科協(xié)作。總而言之，TENG 與 FET 的互促協(xié)同已從實驗室巧妙耦合發(fā)展為支撐下一代自供能智能物聯(lián)網硬件的廣泛平臺。摩擦電子學晶體管可將機械刺激直接轉化為計算與存儲，而類晶體管 TENG 則把環(huán)境運動和降水重新定義為高密度電能來源。若能在界面物理、材料集成與系統(tǒng)工程層面繼續(xù)突破，這些概念將加速從原型走向未來數萬億物聯(lián)網邊緣節(jié)點的實際部署。
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