纽约州立大学: 柔性动态肖特基直流发电机
柔性材料在可穿戴电子设备、植入性医疗器件、分布式传感器等领域有广泛的运用前景。然而，器件供电问题仍然是制约其产业化的瓶颈。纽约州立大学布法罗分校机械与航天航空系刘骏教授曾首创性地在金属-二维材料的纳米接触中观察到了直流电输出现象（Nature Nanotechnology 13 (2), 112-116, 2018）并在多种半导体中得到验证（Nano Energy, 105849, 2021），克服了传统压电和摩擦电发电中的低电流输出：利用金属-半导体或者PN结相对位移中的激发态和量子隧穿可以输出高电流密度的稳定直流电im电竞。然而，目前肖特基直流发电机大多运用质地坚硬的无机半导体材料，不适合柔性器件应用。
为此，纽约州立大学布法罗分校机械与航天航空系刘骏教授团队提出了一种基于导电聚合物滑动接触系统的高性能、灵活的肖特基直流发电机，近日以‘High-Performance Flexible Schottky DC Generator via Metal/Conducting Polymer Sliding Contacts’为题发表在国际著名材料学期刊《Advanced Functional Materials》，该文对导电聚合物静态和滑动状态下的直流电输出机理进行了探讨，开发了压片薄膜、柔性基底负载薄膜、纤维复合薄膜、纺织物复合薄膜等多种模式。

图1 a) 柔性 Al/PEDOT:PSS 滑动接触示意图；b) PEDOT的平面接触模式；c) 和 d) 分别对应开路电压和短路电流；e) 铝和 f) PEDOT:PSS 薄膜的 AFM 形貌图像；g) Al 和 h) PEDOT:PSS 薄膜的KPFM 接触电位差分布；i) 静态和摩擦条件下 Al/PESOT:PSS 结之间的 I-V 特性比较；j) 开路（左）和短路（右）情况下的能带图。

图 2. a) 圆周旋转运动下 Al/PEDOT:PSS 滑动接触产生的 电流 和 电压输出。b) 静态接触下 Al/PEDOT:PSS 接触系统的电流和电压c) 摩擦及静态下的压强。插图显示了微观接触点的受力分析；d) 和 e) 分别为压强和速度对电流和电压输出的影响；（f-h）电子激发的不同能量耗散途径：f) 激发的表面电荷并回落到表面态， g) 激发的价电荷落到表面态成为表面俘获电荷，或复合释放热量；h)价电荷直接激发到表面态。

图3. 不同金属对直流电输出和I-V特性曲线的影响

图 4. a) 二氧化钛厚度为5、10、30、60、100 纳米 时电流和电压输出的数据汇总和比较。 二氧化钛厚度为 b) 5 nm 和 c) 100 nm 的 AFM 形貌图；d) 5 nm、e) 100 nm对应的KPFM接触电位差(CPD)分布；厚度为 f) 5 nm, g) 100 nm 的 二氧化钛的相应接触电位差曲线。

图 5. a)-d) 点-面接触体系中接触面积、外接电阻对输出的影响；b)-f) 面-面接触体系中接触面积、外接电阻对输出的影响

图 6. a) 直流电输出对电容器充电；b) 滑动接触在平面接触模式下10000次循环测试 c) PDMS 负载薄膜d) 独立薄膜；e) 独立薄膜、纤维PEDOT:PSS 复合薄膜和纺织物PEDOT:PSS复合薄膜在不同弯曲角度下电阻随时间的变化；f) 纤维负载前和g) 纤维PEDOT:PSS 复合薄膜的SEM微观结构；h) 柔性铝/纤维PEDOT:PSS 复合薄膜与人手臂滑动接触的示意图及电压（i）电压（j）输出