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王中林
VTENG的制备过程和基本电学输出性能
内置摩擦纳米发电机的光催化降解气相VOCs过滤器
王中林于1987年获得亚利桑那州立大学博士学位。他是乔治亚理工学院乐虎国际app下载科学与工程及董事会教授的Hightower主席、国际顶尖纳米科学家、能源技术专家，中国科学院外籍院士，欧洲科学院院士，佐治亚理工学院终身教授，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长，中国科学院大学纳米科学与技术学院院长。
王中林在国际一流刊物上发表了1100篇期刊论文，150项专利，5本专著和20余本编辑书籍和会议文集。已被邀请做过900多次学术讲演和大会特邀报告。发表论文已被引用173000次以上，H因子146。他是世界上在乐虎国际app下载和纳米技术论文引用次数最多的前五位作者之一。
王中林团队的主要研究工作主要集中在以下几个方向：第一，纳米能源技术和自驱动纳系统技术。纳米发电机的原理是利用压电效应所产生的电场来驱动外电路电子的瞬时流动。第二，王中林基于纳米级压电和半导体性能的巧妙耦合提出了纳米压电电子学 (nanopiezotronics)的概念，即利用压电效应所产生的电场来调制和控制载流子运动的原理来制造新型的器件，首次制造出压电场效应三级管，压电二极管，压电调控的逻辑运算电路。第三，氧化锌纳米乐虎国际app下载的合成，表征，生长机理和应用。
近年来，王中林团队结合自身对于自驱动电子系统的技术优势，将其与柔性可穿戴设备的需求结合，开发了一系列可以进行自驱动的多功能柔性可穿戴设备。
图1展示了一种用于制造纺织品平面微型超级电容器的简单而新颖的方法，并且可能将其并入到服装中。值得注意的是，这里展示的器件具有出色的机械耐用性和电化学稳定性，即使在严重的弯曲和扭曲条件下也是如此。
基于纺织品的微型超级电容器（MSC）的制造
图1 基于纺织品的微型超级电容器（MSC）的制造
图2展示了由机械柔性和可伸展的传感器网络组成的电子皮肤，可以通过各种感觉检测，量化各种刺激以模拟人体感觉系统，具有触觉，热/冷和皮肤疼痛的感觉受体和神经通路。这个系统在类人机器人，新的假肢，人机界面和健康监测技术方面有着更广泛的应用。
皮肤启发高伸缩性和舒适矩阵网络
图2 皮肤启发高伸缩性和舒适矩阵网络。
两纳米超短沟道的压电电子学晶体管
由于短沟道效应，Sub-5 nm硅(Si)基场效应晶体管的制造是非常困难的。随着沟道长度的减小，CMOS器件不仅受到小尺寸的制造技术的限制，而且还受到一些基本的物理学原理如漏电场，电介质的击穿等限制。为了突破5纳米节点晶体管的限制，研究人员探索研究了基于碳纳米管、半导体纳米线以及二维过渡金属化合物等乐虎国际app下载的场效应晶体管，但这些器件的工作仍然依赖于外部栅极电压的调控机制。如果这种情况不能继续下去，这可能意味着摩尔定律的终结。
Sub-5 nm硅(Si)基场效应晶体管
王中林院士于2006年利用氧化锌纳米线受应力时产生的压电电势来调控场效应晶体管的载流子输运特性，即后来所说的的压电电子学晶体管，并且首次提出了压电电子学的概念。压电电子学晶体管是一种利用完全不同于传统CMOS器件工作原理的新型器件。这种器件利用金属-压电半导体界面处产生的压电极化电荷(即压电电势)作为栅极电压来调控晶体管中载流子的输运特性，并且已经在具有纤锌矿结构的压电半导体乐虎国际app下载中得到了广泛证实。这种具有二端结构的晶体管不仅创新地利用界面调控替代了传统的外部沟道调控，并且有可能打破沟道宽度的限制。
近日，在中科院北京纳米能源与系统研究所所长，佐治亚理工学院校董教授王中林院士和西安电子科技大学秦勇教授的指导下，王龙飞博士、刘书海和殷鑫博士等研究成员制备了一种新型的、沟道只有~2 nm的超薄氧化锌压电电子学晶体管，首次将压电电子学效应引入到二维超薄非层状压电半导体乐虎国际app下载中。该工作系统地研究了二维超薄氧化锌垂直方向上的压电特性，利用金属-半导体界面处产生的压电极化电荷（即垂直方向上的压电电势）作为栅极电压有效地调控了该器件的载流子输运特性，并且通过将两个超薄压电电子学晶体管串联实现了简易的压力调控的逻辑电路。这项研究证实了压电极化电荷在超短沟道中“门控”效应的有效性，该器件不需要外部栅电极或任何其它在纳米级长度下具有挑战性的图案化工艺设计。这项研究成果开辟了压电电子学效应在二维非层状压电半导体乐虎国际app下载的研究，并且在人机界面、能源收集和纳米机电系统等领域具有潜在的应用前景。相关研究成果以 “Ultrathin Piezotronic Transistors with 2 nm Channel Lengths”发表在ACS Nano上 (DOI: 10.1021/acsnano.8b01957)。 （来源：中国科学院北京纳米能源与系统研究所）
王中林院士Nano Energy：电荷泵浦实现超高电荷密度摩擦纳米发电机
摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator, TENG）的工作原理基于摩擦起电及静电感应效应。表面电荷密度对于摩擦纳米发电机的性能至关重要。一般而言，TENG的输出功率与表面电荷密度呈二次方关系。在一定的接触或摩擦强度下，电荷密度主要受限于两个方面的因素：一是具有一定表面形貌的摩擦乐虎国际app下载配对的摩擦起电能力，二是由气隙击穿引起的电荷损失。现有已提出了基于乐虎国际app下载选择、表面改性、结构优化或环境控制等多种方法以提高电荷密度，但是这些方法仍存在着很多方面的限制，在电荷稳定性上还存在问题，或在封装等方面提出了较高的要求。
近日，在中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、佐治亚理工学院校董教授王中林院士和张弛研究员的带领下，许亮博士和布天昭等人组成的研究团队为提高TENG器件的电荷密度，设计了一种具有浮置层结构和电荷泵浦能力的电荷自泵浦摩擦纳米发电机（self-charge-pumping triboelectric nanogenerator, SCP-TENG）器件。所设计的浮置层结构可以积累并束缚超高密度电荷，并产生静电感应效应，电荷泵浦可以持续地向浮置层中泵送电荷，基于两者的SCP-TENG器件在普通环境条件下，实现了1020μC/m2的超高有效表面电荷密度，达到了空气击穿电荷密度阈值的4倍左右，创造了新的电荷密度记录。更为重要的是，这项工作提出了一个简单而普遍的大幅提高TENG的电荷密度以及输出的策略，使得表面电荷密度主要取决于绝缘层的介电强度，因此，在不久的将来仍具有进一步大幅提升的潜力。由于电荷密度的提升不再依赖于更强烈的摩擦，也解决了摩擦生热及器件耐久性的问题。在电磁式发电机中，广泛采用的电磁铁通过电流激发磁场，与此相似，本工作提出采用注入束缚电荷来取代摩擦静电荷而激发电场，这一思想将可能对TENG性能的提升产生重要影响。相关成果以“Ultrahigh Charge Density Realized by Charge Pumping at Ambient Conditions for Triboelectric Nanogenerators”为题发表在了Nano Energy上。
器件结构和工作原理
现代电子产品是人类健康，安全和通信不可缺少的一部分，为能把我们社会演化成一个智能世界提供了广泛的机会。另外，由于其具有广阔的应用前景，比如从柔性电源、可拉伸电路、个人保健/生物医学检测、人造电子皮肤到可穿戴化的人机交互界面，柔性可穿戴电子产品已经受到广泛关注。在这些当中，用于健康监测，运动跟踪，医疗护理，个人防护和安全的众多类型的自供电功能传感器已经开发出来，这为以一种连续、实时和无伤害的方式测量人体生理和运动信号提供了一个令人兴奋的机会。然而，可穿戴电子产品的进一步发展仍面临一些挑战。首先，这些可穿戴电子设备通常需要外接电源。传统电源如电化学电池具有重量大，体积大，容量和使用寿命有限的缺点，在很大程度上阻碍了可穿戴电子设备的实际和可持续使用。其次，由于人体的大变形动作可能会降低甚至损坏可穿戴电子设备的结构或功能，传统平面式结构也限制了可穿戴电子产品发展。 第三，因为大多数电极乐虎国际app下载（例如碳纳米管/纳米纤维，石墨烯，金属纳米线/纳米槽和导电聚合物）的电导率在高度拉伸情况下会急剧下降甚至消失，所以很难实现既具有高度可拉伸性又同时保持良好导电性的电极。最后，目前的自供电可穿戴式传感器通常只针对某一单一类型的人体运动。事实上，可穿戴式传感器应当能够以高效、及时和灵敏的方式响应多种形式的机械刺激，诸如拉伸，压缩，弯曲和扭曲等。以上因素的存在限制了可穿戴式能量收集器和自供电功能传感器的应用范围。为了给可穿戴电子产品提供一个持续的和自给自足的电源，最近新开发的摩擦纳米发电机（TENG）是一种能量收集技术，其基于摩擦起电和静电感应的耦合效应可将无处不在的机械能转化为电能。由于其效率高，重量轻，成本低，环境友好以及普遍适用性，无论在收集小型机械能还是大规模能源生产方面都具有广阔前景。 TENG已经被证明可以收集不同类型的机械能量，这些能量是我们生活中广泛存在的却经常被我们所浪费，比如人体运动、机械触发、振动、风和水流等等。此外，TENG还可以用作自供电传感器，通过监测实时电压或电流信号来主动检测由机械运动所引起的静态或动态过程，这在实时人体交互式传感系统中具有潜在应用。将TENG技术融入传统纺织生产为可穿戴电子纺织品以及自供电传感设备的发展带来更多的可能性。基于纺织的TENG非常适合新一代能量采集器和自供电传感器，使这些传感器具有轻便、持久、透气、可变形和可清洗的特点。这种新型可穿戴电子产品不仅可以适应复杂的非平面形状，而且可以同时保持令人满意的性能，可靠性以及整体性。
基于纱线的TENG的结构
近日，佐治亚理工学院王中林院士课题组相关论文“Versatile Core-Sheath Yarn for Sustainable Biomechanical Energy Harvesting and Real-Time Human-Interactive Sensing”发表在能源期刊Advanced Energy Materials（影响因子：16.72）上，第一作者董凯。可拉伸纺织结构机械能量采集器和自供电传感器的出现为可穿戴功能电子产品的发展带来了新的生机。然而，单一的能量转换模式和弱的信号传感能力在很大程度上阻碍了它们的发展。在此，凭借镀银尼龙纱线和硅橡胶弹性体，王中林团队设计并制造了一种具有同轴芯鞘和内置弹簧式螺旋缠绕结构的高度可拉伸的TENG纱线，用于机械能量采集和实时人机交互传感。由于内置弹簧缠绕和芯鞘共轭这两种结构，所开发的TENG纱线具有灵活性，高度可拉伸性，舒适性，持久性以及对各种机械刺激的高度敏感性，旨在采集多种机械能量以及捕获各种类型的人体运动信号。凭借这些优异的性能，该TENG纱线可以用于自计数跳绳，自供电手势识别手套以及实时高尔夫评分系统。此外，纱线TENG还可以编织成大面积能量收集织物，能够点亮发光二极管（LED），给商业电容器充电，为智能手表供电。此外，通过调整电路连接方式和外部载荷施加方式，这种织物可以将TENG的四种工作模式集合在一起，进一步验证了其多种机械能量采集能力。这项工作为基于纺织结构的多模式机械能收集器和高度敏感的自供电运动传感器提供了一个新方向，未来可用于可持续电源供电，自供电可穿戴电子设备，个性化运动/健康监测以及实时人机交互方面。目前的工作有助于纺织结构的TENG器件应用于多样的机械能量采集装置和实时自供电人机交互传感系统，这将导致可穿戴电子设备向更智能、更便捷和更环保的方向发展。
TOC
能源在人类生活中扮演着非常重要的角色，现阶段能源的消耗主要依赖于传统化石能源，这是一种有限的、非可再生的能源。随着化石能源的不断开采和枯竭，迫切需要寻找一些新型的能源形式。海洋波浪能具有储量丰富、受环境因素影响较小等优点，是潜在的能够大规模应用的能源之一。但是，近几十年世界各国对波浪能收集的探索大都基于传统的电磁发电机，而电磁发电机因其自身的工作原理所限，难以有效收集这种低频的、随机的能源。
王中林院士于2012年首次提出基于摩擦起电和静电感应效应的摩擦纳米发电机，它利用麦克斯韦位移电流的机理，将周围环境中的机械能转化为电能。同时球形结构摩擦纳米发电机因其具有质量轻、在水波中运动阻力小以及易于阵列化等诸多优点已经被用来收集水波能。但是在之前报道的工作中，还存在输出电流较小等缺点，限制了它的实际应用。
有鉴于此，中科院纳米能源与系统研究所王中林院士团队通过耦合弹簧及多层结构制备了一种可以高效收集水波能的球形摩擦纳米发电机。
研究团队首先结合弹簧辅助结构和球形结构的优点，并在一个球壳空间内集成多个基本发电单元形成多层结构，成功制备出耦合弹簧及多层结构的球形摩擦纳米发电机，用于收集水波能。该球形摩擦纳米发电机中每个发电单元的工作模式均为垂直接触-分离模式。
在真实水波实验环境中，在1.0Hz的水波频率，2.5 V的信号发生器输出电压幅值（对应于水波振幅）的水波冲击下，其最大功率可达7.96 mW，输出电流为120 μA。
其次，进一步研究了不同水波频率和不同水波振幅下，该摩擦纳米发电机的电学输出性能，发现其在1.0 Hz的水波频率下能达到最大输出值，能较好地适用于水波的低频工作环境。
然后，从球形摩擦发电机中所用的铜块质量以及集成的发电单元数量两个方面对其进行结构优化。最后，将四个优化后的球形摩擦纳米发电机组成发电阵列，其输出功率和输出电流分别达到15.97 mW和225 μA，并成功驱动电子温度计工作，测量水的实时温度，显示了该摩擦纳米发电机在水波能大规模收集中的巨大潜力。
总之，该研究成功制备了一种收集水波能的球形摩擦纳米发电机，通过结构设计与优化，其输出电流和输出功率较以往工作均有较大幅度提高，显示了纳米发电机在大规模收集水波能中的潜在应用价值。
外部激励通常可以用来调控乐虎国际app下载的性质从而实现其功能化。典型的例子包括栅极电压之于场效应晶体管（FET），磁场之于自旋电子学，以及力场之于压电电子学。某些过渡金属氧化物所具有的独特的金属-绝缘体相变（MIT）特性能够产生优异的开关比，自旋轨道耦合，甚至导致超导性，因而可以用于各类电学器件。作为典型的强关联氧化物，二氧化钒（VO2）的金属-绝缘体相变对电荷密度和电子轨道占据非常敏感。因此，将VO2作为场效应晶体管的通道，通过控制栅极电压能够有效实现其相变调控。然而，由于VO2的相变过程对温度非常敏感，如果利用固体电介质层来施加栅压，则不可避免地产生漏电流或者电击穿，从而导致局部的焦耳热效应。通过某些离子液体作为介质层也能够施加外电场，但是离子液体和氧化物之间往往会发生界面电化学反应，从而使得研究电场调控相变过程变得更为复杂。
以VO2薄膜作为通道的场效应晶体管示意图和相应的等效电路
近日，在佐治亚理工学院王中林院士和中国科学技术大学邹崇文研究员团队的带领下，与西安交通大学和河南科技大学合作，通过集成TENG提出了一种新颖的三端VO2器件。诱导电子在VO2通道中出现并消失，通过接触和分离TENG的PTFE和尼龙层来控制。FEA模拟显示VO2的感应电子平均密度可以高达1010~1011cm-2，可以实现更高的密度（≈1012 cm-2），以改善TENG-VO2在真空条件下的性能。实验结果表明，在不同温度下，TENG-VO2装置可以调节VO2通道的电阻，VO2的PTR调节程度更为显著。第一性原理计算结果进一步证实，TENG器件在VO2中的感应电子掺杂将向上移动EF并逐渐占据3d轨道，从而产生明显的相位调制。目前的研究不仅证明了电荷掺杂以调整相关氧化物的电子态，而且还将TENG的应用扩展到新型tribotronic晶体管或其他相关氧化物器件的开发中。相关成果以题为“Dynamic Electronic Doping for Correlated Oxides by a Triboelectric Nanogenerator”发表在了Adv. Mater.上。
总之，团队将摩擦电纳米发电机（TENG）和VO2相变薄膜乐虎国际app下载相结合，制作了一种新型的TENG-VO2器件，在室温下实现了电子掺杂以及相应的相变过程调制。通过TENG构筑类场效应晶体管结构，可以在VO2通道中感应出高浓度电荷，从而实现电子掺杂来调节VO2的电子结构。通过这种动态的电荷掺杂，VO2通道的电阻/电阻率能够得到实时调制，而且这种调制作用在VO2的相变温区更为显著。通过有限元分析模拟了VO2通道中电荷的积累，并通过理论计算验证了电子掺杂机制。该结果有望应用于开发新型的压电晶体管和新型电子掺杂技术。
文献链接：Dynamic Electronic Doping for Correlated Oxides by a Triboelectric Nanogenerator（Adv. Mater. ,2018,DOI：10.1002/adma.201803580）
摩擦电传感器让机器人更灵活
柔性压电晶体管阵列薄膜
电响应乐虎国际app下载
宽带隙半导体紫外光探测器具有结构简单、易于小型化、集成化、对辐射和恶劣环境具有良好的稳定性等优点，在军事侦测、环境监测、火焰升温、生命科学和航天等领域具有很大的应用前景。作为典型的宽带隙乐虎国际app下载，氧化锌（ZnO）具有大的激子结合能（≈ 60 meV）、小的电子和空穴碰撞电离系数、环境友好、化学性能稳定和辐射阈值高等特点，是实现高信噪比的室温紫外光（UV）探测器的理想乐虎国际app下载。尤其是随着自供能电子设备在可穿戴电子、智能传感器、柔性光电子等领域日益增长的需求发展，大量自供能的 ZnO 基光电探测器（PDs）通过利用肖特基结和 p-n 结的光伏效应被成功设计和制备出来。其中，基于金属/半导体接触的肖特基结光电探测器具有成本低、制造简单和响应速度快等优点，是实现快速响应光电二极管的一种重要途径。但由于肖特基结中较弱的内建电场使得这种自供能 PDs 光响应度较低，阻碍了其广泛地应用。因此，寻找一种能够有效改善自供能肖特基 PDs 性能的方法显得十分必要。
热释电光电子学效应
最近，通过耦合纤锌矿 ZnO 的热释电效应、光激发和半导体特性，研究者们提出热释电光电子学效应并用来改善 ZnO 基 PDs 的光电响应性能。在紫外光照射 ZnO 纳米线（NWs）时，光诱导的热释电极化电荷可以有效地调节 p-n 结内载流子的产生、分离、传输和复合过程，从而使自供能 PDs 的光电响应性能从 UV 到近红外波段都有显著的提高。通过利用热释电光电子效应，基于 p-n 异质结结构实现的 UV PDs 展示出较快的响应速度和较高的灵敏度。然而，通常的热释电效应包含初级热释电效应和次级释热电效应，而且综合热释电效应受夹持状态的影响很大。当样品经受较强的应力夹持时（例如硬质基板），热释电效应主要表现为初级热释电效应。当样品经受较弱的应力夹持（例如软基板）时，次级热释电效应不能忽略。因此，研究综合热释电效应对柔性基板上肖特基结 PDs 输出电流的调制机制是十分重要的。
最近，北京师范大学的王莹硕士和北京纳米能源与系统研究所的朱来攀博士在美国佐治亚理工学院的王中林院士和北京师范大学的王兆娜教授的共同指导下报道了一种利用综合的热释电光电子学效应来设计和制造 ZnO /Ag 肖特基结的自供电柔性 UV PDs。通过利用初级热释电效应使得自供能的 PDs 在 325 nm 光照射下的最大瞬态光响应度可以达到 1.25 mA W-1，比稳态响应提高 1465 ％。相对持久的二次热释电效应削弱了肖特基势垒的高度，并导致稳态光电流随着光功率密度的增加而减小。当功率密度足够大时，稳态光电流变为反向。基于热释电电势的能带调控作用，研究者们揭示了综合热释电光电子学效应对瞬态和稳态光电流的相应调制机制。研究结果有利于进一步阐明热释电光电子学效应对器件光电流的影响机制，并为进一步优化自供能 PD 性能提供了一种潜在方法。研究成果以题为“Comprehensive Pyro-Phototronic Effect Enhanced Ultraviolet Detector with ZnO / Ag Schottky Junction”发布在国际著名期刊 Adv. Funct. Mater.上。
基于ZnO / Ag肖特基结构，成功设计并实现了热释电光电子学效应增强的柔性自供能 PDs，分别展示了初级热释电光电子学效应对瞬态以及次级热释电光电子学效应对稳态光电流的调制作用。尤其是，光辐照在纤锌矿 ZnO 内部可以通过热应变效应诱导产生相对稳定的极化电势（类似于压电效应），从而对肖特基势垒高度产生调控作用，导致光生载流子的传输性质在肖特基结区被调制，即为次级热释电光电子学效应。这种新机制对自供能光电器件的设计与优化具有重要的理论意义和应用价值。同时，这种调制方法很容易扩展到基于其它热释电半导体乐虎国际app下载实现的光电器件中，从而拓宽了其应用领域。而且，基于 ZnO / Ag 肖特基结的自供能 PD 具有易于实现、调控灵活、光响应特性优良的特点。利用热释电光电子学效应，PDs 在功率密度为 4.98×10-4 W cm-2 的 325 nm 紫外光照射下的光电流的最大增强因子为 ≈ 10156 ％，探测能力和响应度都有 8371 ％提高。 这项工作为利用热释电光电子学效应来提高或者优化肖特基结的 PDs 提供了一种有效的方法。同时在超快光电传感、智能传感器和可穿戴电子设备等领域具有广阔的应用前景。
文献链接：Comprehensive Pyro-Phototronic Effect EnhancedUltraviolet Detector with ZnO/Ag Schottky Junction（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201807111）
二维乐虎国际app下载中的压电效应
钙钛矿太阳能电池
佐治亚理工学院和北京纳米能源所王中林院士，其博士生邹海洋，张颖博士，郭立童博士等定义了新的“乐虎国际app下载基因”-摩擦电荷密度，研发了标准测量方法定量测量乐虎国际app下载的摩擦起电特性，并详细测量了众多常用乐虎国际app下载的这一特性。相关研究《Quantifying the triboelectric series》发表在《Nature Communication》上。
摩擦电荷密度
摩擦起电受乐虎国际app下载表面，环境条件和测试条件影响巨大。乐虎国际app下载表面粗糙度，气温，湿度，测量时乐虎国际app下载间使用力的大小都影响测量结果。由于乐虎国际app下载的力学特性不同，在不同测试乐虎国际app下载之间使用相同压力，产生相同应变是无法实现的，这造成了定量测量的极大难度。他们巧妙采用液态金属汞与测试乐虎国际app下载接触与分离，利用液态金属的形状适应性，使得接触面积最大化；同时汞具有很强的表面张力，能够及时与接触乐虎国际app下载分离，利用线性马达稳定的控制接触条件，从而有效的消除接触力，表面粗糙度等测试条件的影响。他们采用在严格控制环境条件的手套箱内，消除外界环境不同的影响 ，从而能准确测量。他们通过标准化测量表征了众多常用乐虎国际app下载，定义了乐虎国际app下载的“摩擦电荷密度”来表征乐虎国际app下载的摩擦起电特性。
文献链接：Quantifying the triboelectric series
(Nature Communicationsvolume 10, Article number: 1427 (2019) , DOI: 10.1038/s41467-019-09461-x)
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发表于 2017-10-16 09:14:06
