Tribotronics:lovende perspektiver i udviklingen af ​​nye funktionelle enheder og selvdrevne mikrosystemer

Dannet af koblingseffekten af ​​kontaktelektrificering og elektrostatisk induktion, omdanner triboelektriske nanogeneratorer (TENG) effektivt den mest udbredte mikronano-energi i vores miljø, inklusive menneskelig bevægelse, brise, vibrationer og nedbør, til elektrisk energi, hvilket giver en bæredygtig løsning at forsyne et væld af sensorer, som den nuværende batteriforsyning ikke kunne adressere.

Udgangsstrømmen og effekten af ​​TENG er dog begrænset på grund af lav overfladeladningstæthed.

De erhvervede ladninger på den triboelektriske overflade forbliver begrænsede og ustabile, hvilket nødvendiggør yderligere strategier for at forbedre udgangsstrømmen og effekttætheden. Derudover har den triboelektriske sensing dårlig opløsning og forbliver i makroskala sensing-reguleringen. Ydermere besidder TENG en iboende kapacitiv intern impedans, der kræver en effektiv strømstyringsstrategi for at reducere udgangsimpedansen af ​​TENG og opfylde kravene fra elektronik og selvforsynede systemer.

Som svar på de udfordringer, som TENG står over for, udførte Prof. Chi Zhangs gruppe fra Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems tre grene af tribotronik, der adresserer disse udfordringer ved at inkorporere halvledermaterialer og -teknologier, nemlig den tribovoltaiske effekt, den triboelektriske felteffekt og triboelektrisk energistyring.

De realiserer den triboelektriske enhed med høj effekttæthed, triboelektriske transistorer med nanoskala gated effekt og triboelektriske selvdrevne systemer med højeffektiv energiforsyning, og applikationsdemonstrationen af ​​selvdrevne trådløse sensorknuder er blevet udført til industriområdet.

Udgivet i International Journal of Extreme Manufacturing , sigter denne forskning, ved at opsummere de seneste fremskridt inden for tribotronics, at drive udviklingen af ​​nye triboelektriske apparater og selvdrevne mikrosystemer inden for intelligent fremstilling, trådløse sensornetværk og det industrielle Internet of Things.

Professor Chi Zhang, den førende forsker, sagde:"Med halvledermaterialer i stedet for isolatorer som friktionsmaterialer til TENG er der observeret jævnstrømsproduktion, som kaldes den tribovoltaiske effekt. Sammenlignet med TENG er den tribovoltaiske generator ikke begrænset af overfladeladningstætheden, som øger strømtætheden med en størrelsesorden og har fordele ved høj effekttæthed."

Den tribovoltaiske effekt opstår på halvledergrænsefladen. Når friktion påføres det dielektriske lag på halvlederoverfladen, kan det triboelektriske potentiale, der genereres af friktion, bruges til at regulere bærertransporten i halvlederen. Medforfatter Dr. Junqing Zhao sagde:"Det triboelektriske potentiale genereret af TENG kan bruges som en gate-spænding i en felteffekttransistor, baseret på hvilken aktiv mekanisk sansning og nanoskala taktil sensing kan realiseres."

Ud over at studere elektronikken i grænsefladefriktionssystemer, foreslås den triboelektriske strømstyringsmetode baseret på TENG ved hjælp af halvlederteknologi for at forbedre energiforsyningseffektiviteten. Dr. Junqing Zhao mente, "Strømstyringsstrategien for impedansreduktion baseret på halvlederenhedsteknologi forbedrer strømforsyningseffekten for sensorer og mikrosystemer, som bryder igennem anvendelsen af ​​tribotroniske enheder inden for selvdrevne sensing-netværk."

Professor Chi Zhang sagde:"Tribotronics er et nyt felt, der udforsker interaktionen mellem triboelektricitet og halvledere. På den ene side fokuserer forskning på elektronikken i grænsefladefriktionssystemer, såsom den tribovoltaiske effekt og den triboelektriske felteffekt, for at udvikle tribotroniske enheder til energi konvertering, aktiv sansning og kontrol."

"På den anden side fokuserer forskningen på triboelektrisk teknologi gennem elektronik, der omfatter energimodulering, lagring og udnyttelse af triboelektricitet, hvilket muliggør effektiv indsamling af mikromekanisk energi og leverer mikroenergiløsninger til distribueret sansning."

"Der er dog stadig nogle problemer på dette stadium, herunder dybdegående forskning af energikonverteringsmekanismen for tribovoltaisk effekt, udviklingen af ​​nye tribotroniske enheder ved at kombinere innovative materialer med produktionsteknologi og forbedringen af ​​triboelektrisk energistyring for fuldt ud at udforske dets potentiale nye elektromekaniske applikationer "

"Ved at kombinere med en række forskellige discipliner såsom nanoenergi og mikro-elektromekaniske systemer, vil tribotronics udvide de potentielle applikationer inden for nye områder såsom smart sensing, energividenskab, menneske-maskine-grænseflade og biovidenskab."

Flere oplysninger: 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

Leveret af International Journal of Extreme Manufacturing