Formad av kopplingseffekten av kontaktelektrifiering och elektrostatisk induktion, omvandlar triboelektriska nanogeneratorer (TENG) effektivt den mest spridda mikronanoenergin i vår miljö, inklusive mänsklig rörelse, vind, vibrationer och regn, till elektrisk energi, vilket ger en hållbar lösning för att driva en uppsjö av sensorer som den nuvarande batteriförsörjningen misslyckades med.

Utströmmen och effekten hos TENG är dock begränsade på grund av låg ytladdningstäthet.

De förvärvade laddningarna på den triboelektriska ytan förblir begränsade och instabila, vilket kräver ytterligare strategier för att förbättra utströmmen och effekttätheten. Dessutom har den triboelektriska avkänningen dålig upplösning och stannar i avkänningsregleringen i makroskala. Dessutom har TENG en inneboende kapacitiv intern impedans, vilket kräver en effektiv energihanteringsstrategi för att minska utgångsimpedansen för TENG och möta kraven från elektronik och självförsörjande system.

Som svar på de utmaningar som TENG ställs inför, genomförde Prof. Chi Zhangs grupp från Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems tre grenar av tribotronik som tar itu med dessa utmaningar genom att införliva halvledarmaterial och -teknologier, nämligen den tribovoltaiska effekten, den triboelektriska fälteffekten, och triboelektrisk energihantering.

De realiserar den triboelektriska enheten med hög effekttäthet, triboelektriska transistorer med nanoskala grindeffekt och triboelektriska självdrivna system med högeffektiv energiförsörjning, och tillämpningsdemonstrationen av självdrivna trådlösa sensornoder har utförts för industriområdet.

Publicerad i International Journal of Extreme Manufacturing , denna forskning, genom att sammanfatta de senaste framstegen inom tribotronik, syftar till att driva utvecklingen av nya triboelektriska apparater och självdrivna mikrosystem inom områdena intelligent tillverkning, trådlösa sensornätverk och det industriella Internet of Things.

Professor Chi Zhang, den ledande forskaren, sa:"Med halvledarmaterial istället för isolatorer som friktionsmaterial för TENG, har likströmskraftgenerering observerats, vilket kallas den tribovoltaiska effekten. Jämfört med TENG är den tribovoltaiska generatorn inte begränsad av ytladdningstätheten, som ökar strömtätheten med en storleksordning och har fördelar med hög effekttäthet."

Den tribovoltaiska effekten uppstår på halvledargränssnittet. När friktion appliceras på det dielektriska skiktet på halvledarytan kan den triboelektriska potentialen som genereras av friktion användas för att reglera bärartransporten i halvledaren. Medförfattaren Dr Junqing Zhao sa:"Den triboelektriska potentialen som genereras av TENG kan användas som en grindspänning i en fälteffekttransistor, baserat på vilken aktiv mekanisk avkänning och taktil avkänning i nanoskala kan realiseras."

Förutom att studera elektroniken i gränssnittsfriktionssystem, föreslås den triboelektriska energihanteringsmetoden baserad på TENG med hjälp av halvledarteknik för att förbättra energiförsörjningseffektiviteten. Dr Junqing Zhao menade, "Strömhanteringsstrategin för impedansreduktion baserad på halvledarenhetsteknologi förbättrar strömförsörjningseffekten för sensorer och mikrosystem, vilket bryter igenom tillämpningen av tribotroniska enheter inom området för självdrivna avkänningsnätverk."

Professor Chi Zhang sa:"Tribotronik är ett nytt fält som utforskar interaktionen mellan triboelektricitet och halvledare. Å ena sidan fokuserar forskningen på elektroniken i gränssnittsfriktionssystem, såsom den tribovoltaiska effekten och den triboelektriska fälteffekten, för att utveckla tribotroniska enheter för energi. konvertering, aktiv avkänning och kontroll."

"Å andra sidan fokuserar forskningen på triboelektrisk teknologi genom elektronik, som omfattar energimodulering, lagring och utnyttjande av triboelektricitet, vilket möjliggör effektiv insamling av mikromekanisk energi och tillhandahåller mikroenergilösningar för distribuerad avkänning."

"En del problem kvarstår dock i detta skede, inklusive djupgående forskning av energiomvandlingsmekanismen för tribovoltaisk effekt, utvecklingen av nya tribotroniska enheter genom att kombinera innovativa material med tillverkningsteknologi och förbättringen av triboelektrisk energihantering för att till fullo utforska dess potential nya elektromekaniska applikationer "

"Genom att kombinera med en mängd olika discipliner som nanoenergi och mikroelektromekaniska system kommer tribotronik att utöka de potentiella tillämpningarna inom nya områden som smart avkänning, energivetenskap, människa-maskin-gränssnitt och biovetenskap."

Mer information: Chi Zhang et al, Tribotronics:an emerging field by coupling triboelectricity and semiconductors, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/ace669

Tillhandahålls av International Journal of Extreme Manufacturing