摩擦电子（Tribotronics）：用于主动式机械感知与自驱动微系统

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随着微电子和信息技术的发展，功能化、集成化和无线化的电子产品引起了人们极大的兴趣，具有广阔的市场前景。这使得电子器件与外界环境的直接交互变得更加重要，其对可持续微能源的需求也变得迫切。 

电子器件期待实现智能化与自驱动，这已成为发展物联网技术的巨大推动力。摩擦纳米发电机（TENG）是一种基于接触起电与静电感应耦合的新能源技术。由于内部电介质的存在，摩擦纳米发电机可以在电容型负载上产生一个可保持的摩擦电势，用于调控场效应晶体管中的载流子输运特性。内部电介质也使得TENG具有很高的阻抗，无法直接为电子器件供电，这使得有效的电源管理技术成为了TENG走向实用化的关键。

摩擦电子（Tribotronics）是研究摩擦电与电子器件之间相互作用的新领域。近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员和王中林院士领导的团队，综述了Tribotronics的最新进展。首先，回顾了接触起电场效应晶体管作为摩擦电调控半导体器件的基本单元，以及其衍生出来的多种摩擦电功能器件，主要包括基于摩擦电调控的智能皮肤、逻辑电路、调谐二极管、触觉传感阵列、气体传感器以及电子水平仪等。这些工作展示了摩擦电对电子器件的有效调控，建立了电子器件面向外部环境的主动式机械感知。

此外，回顾了针对TENG的电源管理策略等工作，通过晶体管开关、续流二极管等电子器件实现了对TENG内部能量的最大化释放、降压升流和自主开关，展示了电子器件对摩擦电的高效管理。基于电源管理技术，TENG收集到的人体低频运动能与环境微小机械能，可以轻松驱动商用便携式电子器件与无线通讯装置，有望在下一代可穿戴电子产品和分布式无线传感器网络中，为自驱动微系统提供了完整的微能源解决方案。

Tribotronics作为一个新兴的研究领域仍面临着很多挑战。例如，微/纳米尺度的摩擦电效应、新材料的摩擦电效应，以及更高效的摩擦电管理技术等，都需要进一步的研究工作。Tribotronics体现了摩擦电与半导体的耦合，拓宽了纳米能源和微电子领域的研究内容，并且在MEMS/NEMS、柔性电子学、无线传感器网络等方面有着重要影响和潜在应用。Tribotronics也将是材料、电子、信息、机电一体化、能源、环境等多学科合作研究的发展方向。

图  摩擦电子（Tribotronics）新领域的形成及应用

相关研究论文以“摩擦电子用于主动式机械传感和自驱动微系统”为题发表于最新一期的《先进功能材料》(Advanced Functional Materials) 期刊(DOI: 10.1002/adfm.201808114)，英文标题与摘要如下。

Tribotronics for Active Mechanosensation and Self-Powered Microsystems

Chi Zhang*, Tianzhao Bu, Junqing Zhao, Guoxu Liu, Hang Yang, Zhong Lin Wang*

Tribotronics has attracted great attention as a new research field that encompasses the control and tuning of semiconductor transport by triboelectricity. Here, tribotronics is reviewed in terms of active mechanosensation and human-machine interfacing. As a fundamental unit, contact electrification field-effect transistors are analyzed, in which the triboelectric potential can be used to control electrical transport in semiconductors. Several tribotronic functional devices have been developed for active control and information sensing, which has demonstrated triboelectricity-controlled electronics and established active mechanosensation for the external environment. In addition, the universal triboelectric power management strategy and the triboelectric nanogenerator-based constant sources are also reviewed, in which triboelectricity can be managed by electronics in the reverse action. With the implantation of triboelectric power management modules, the harvested triboelectricity by various kinds of human kinetic and environmental mechanical energy can be effectively managed as a power supply for self-powered microsystems. In terms of the research prospects for interactions between triboelectricity and semiconductors, tribotronics is expected to demonstrate significant impact and potential applications in micro-electro-mechanical systems/nano-electro-mechanical systems (MEMS/NEMS), flexible electronics, robotics, wireless sensor network, and Internet of Things.

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