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【Advanced Materials】光電發射探討摩擦起電中的電子轉移過程
發表日期: 2019-05-20 文章來源:
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  摩擦起電現象有著2600多年的研究歷史,然而其發生機理目前依然沒有定論。2012年,佐治亞理工學院的王中林院士課題組利用摩擦起電現象,發明了摩擦納米發電機,實現機械能與電能之間的轉化。摩擦納米發電機在能源搜集以及自驅動系統等應用中有明顯優勢,引起了研究者的廣泛光柱,也使研究者重新燃起對摩擦起電這一古老科學問題的興趣。在摩擦起電機理研究中,一個最為核心的問題是如何判斷摩擦起電的載流子類型,即判斷摩擦起電是由電子轉移還是由離子轉移造成的。針對這個問題,王中林院士課題組在微觀和宏觀尺度,研究了摩擦電荷在不同溫度下的衰減行為,發現摩擦電荷的衰減符合熱電子發射規律,說明摩擦起電的載流子是電子。然而,聚合物材料在高溫下會發生變性,甚至融化,因此不能通過溫度效應來驗證其表面的載流子類型。聚合物作為摩擦納米發電機中的常用材料,設計新的方法來判斷聚合物材料表面的摩擦電荷載流子類型尤為重要。事實上,除了熱以外,光也能夠激發材料表面電子,即電子吸收入射光子的能量,而逃離材料表面,也就是光電效應。如果材料表面的摩擦電荷是電子,那么在光照下摩擦電荷應當會衰減,并且衰減規律符合光電發射理論。

  近日,在中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家,佐治亞理工學院校董教授王中林院士的指導下,林世權博士等人研究了光照對材料表面摩擦電荷衰減的影響。研究發現,在紫外光的照射下,SiO2PVC以及PMMA表面摩擦電荷會迅速衰減。入射光的波長越短,光強越強,材料表面摩擦電荷衰減速率越快。當光的波長大于某個臨界值時,光照無法誘導材料表面摩擦電荷的衰減,并且不同材料所對應的波長臨界值各不相同。這些實驗現象都符合光電子發射理論。在光電發射理論中,光的強度越大,光子數量越多,被激發出材料表面的電子數就越多,摩擦電荷衰減速率越快;光的波長越短,光子能量越大,激發電子的概率越大,摩擦電荷衰減速率越快。當光的波長大于一定值時,光子能量不足以激發陷在材料表面能態中的電子,無法使摩擦電荷衰減。根據摩擦電荷在光照下的衰減規律,該研究基于Spicer光電發射理論,首次提出了針對絕緣體表面摩擦電子的光電發射模型。該項研究在熱電子發射之后,又提出一個摩擦起電中電子轉移的強有力證據。此外,根據材料表面摩擦電子對入射光響應的特點,該研究提出了利用摩擦起電中光電發射以及摩擦發光等現象進行材料電子結構表征的新思路。相關成果以“Electron Transfer in Nanoscale Contact Electrification: Photon Excitation Effect”為題發表在近期的Advanced Materials上。(DOI:10.1002/adma.201901418 

圖1. 摩擦起電中的光電子發射。(a)光照電子發射實驗示意圖。(b)摩擦電子光電發射能帶示意圖。(c200 nm~2500 nm混合光源照射下SiO2表面摩擦電荷密度隨時間的變化。(d400 nm~2500 nm混合光源照射下SiO2表面摩擦電荷密度隨時間的變化。 

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