中科院纳米能源所王中林院士课题组《Adv.Mater》：光电发射探讨摩擦起电中的电子转移过程

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摩擦起电现象有着2600多年的研究历史，然而其发生机理目前依然没有定论。2012年，佐治亚理工学院的王中林院士课题组利用摩擦起电现象，发明了摩擦纳米发电机，实现机械能与电能之间的转化。摩擦纳米发电机在能源搜集以及自驱动系统等应用中有明显优势，引起了研究者的广泛光柱，也使研究者重新燃起对摩擦起电这一古老科学问题的兴趣。在摩擦起电机理研究中，一个最为核心的问题是如何判断摩擦起电的载流子类型，即判断摩擦起电是由电子转移还是由离子转移造成的。针对这个问题，王中林院士课题组在微观和宏观尺度，研究了摩擦电荷在不同温度下的衰减行为，发现摩擦电荷的衰减符合热电子发射规律，说明摩擦起电的载流子是电子。然而，聚合物材料在高温下会发生变性，甚至融化，因此不能通过温度效应来验证其表面的载流子类型。聚合物作为摩擦纳米发电机中的常用材料，设计新的方法来判断聚合物材料表面的摩擦电荷载流子类型尤为重要。事实上，除了热以外，光也能够激发材料表面电子，即电子吸收入射光子的能量，而逃离材料表面，也就是光电效应。如果材料表面的摩擦电荷是电子，那么在光照下摩擦电荷应当会衰减，并且衰减规律符合光电发射理论。

近日，在中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家，佐治亚理工学院校董教授王中林院士的指导下，林世权博士等人研究了光照对材料表面摩擦电荷衰减的影响。研究发现，在紫外光的照射下，SiO2，PVC以及PMMA表面摩擦电荷会迅速衰减。入射光的波长越短，光强越强，材料表面摩擦电荷衰减速率越快。当光的波长大于某个临界值时，光照无法诱导材料表面摩擦电荷的衰减，并且不同材料所对应的波长临界值各不相同。这些实验现象都符合光电子发射理论。在光电发射理论中，光的强度越大，光子数量越多，被激发出材料表面的电子数就越多，摩擦电荷衰减速率越快；光的波长越短，光子能量越大，激发电子的概率越大，摩擦电荷衰减速率越快。当光的波长大于一定值时，光子能量不足以激发陷在材料表面能态中的电子，无法使摩擦电荷衰减。根据摩擦电荷在光照下的衰减规律，该研究基于Spicer光电发射理论，首次提出了针对绝缘体表面摩擦电子的光电发射模型。该项研究在热电子发射之后，又提出一个摩擦起电中电子转移的强有力证据。此外，根据材料表面摩擦电子对入射光响应的特点，该研究提出了利用摩擦起电中光电发射以及摩擦发光等现象进行材料电子结构表征的新思路。

图1. 摩擦起电中的光电子发射。（a）光照电子发射实验示意图。（b）摩擦电子光电发射能带示意图。（c）200 nm~2500 nm混合光源照射下SiO2表面摩擦电荷密度随时间的变化。（d）400 nm~2500 nm混合光源照射下SiO2表面摩擦电荷密度随时间的变化。 

相关成果以“Electron Transfer in Nanoscale Contact Electrification: Photon Excitation Effect”为题发表在近期的Advanced Materials上。（DOI:10.1002/adma.201901418） 

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.201901418

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