透明的摩擦纳米发电机和基于微模式塑料薄膜的自供电压力传感器
摘要：透明，灵活，高效的电源是有机电子和光电器件的重要组成部分。在这项工作中，基于先前演示的摩擦发电机的原理，我们通过使用透明聚合物材料展示了一种新的高输出，柔性和透明的纳米发电机。我们制造了三种规则和均匀的聚合物图案阵列（线，立方和金字塔），以提高纳米发电机的效率。金字塔特征设备的发电量远远超过了金字塔特征设备的发电量非结构化薄膜，在电流密度为〜0.13mu;A/ cm2时输出电压高达18 V.此外，所制备的纳米发电机可用作自供电压力传感器，用于检测水滴（接触压力为8 mg，〜3.6 Pa）和落羽（接触压力为20 mg，〜0.4 Pa），低端检测限为~13 mPa。
关键词：Nanogenerator，透明，聚合物，压力传感器
灵活的集成和透明的特点是一个重要的组件在新的有机电子和光电devices1minus;3和已经实现了各种应用，包括晶体管、4、5个锂离子电池、6个超级电容器、7、8个压力传感器和人造皮肤。9minus;12的确,构建灵活透明的能源con-version和存储单元中扮演着重要角色在实现完全灵活和透明的设备。2006年，我们小组展示了第一台压电ZnO纳米发电机，成功地将机械能转化为电能。13此后，各种基于压电效应的纳米发电机(nanogenerator, NGs)得到了证明。14minus;17作为在这一领域的重要组成部分,一些研究在完全集成灵活和透明的门店已报告。18minus;21几乎都是基于压电氧化锌纳米线和整个设备需要复杂的设计和高度的集成。
能量转换的一般物理过程有三个重要步骤:电荷生成、电荷分离和电荷流。这些步骤是利用在应变下产生的压电势来实现的。最近，我们开发了一种使用全聚合物材料的柔性摩擦发电机(TEG)。22 .将两种由Kapton和聚酯(PET)制成的聚合物薄膜叠加，通过摩擦电效应使聚合物薄膜发生机械变形，从而实现电荷的产生、分离和诱导过程。这是一种简单、低成本、易于扩展的发电机制造工艺，可以利用众所周知的摩擦电效应将我们生活环境中的随机机械能转化为电能。此外，通过合理的设计，可以开发这种新的发电模式，构建高输出、灵活、透明的NG。使设备透明,提高发电密度、三种方法被用于这项研究:(i)取代聚酰亚胺薄膜膜和透明的PDMS膜、(2)取代非盟电极氧化铟锡(ITO)透明电极,然后整个结构非常灵活和透明的,和(3)编造各种PDMS模式阵列增强摩擦效应,导致高输出发电机(支持信息图S1)。此外，我们还展示了这种装置也是一种强大的工具，可以用来检测微小的压力和振动，例如水滴的下落和羽毛在表面的轻柔接触。
TEG是由两层具有明显不同摩擦电特性的聚合物组成的，一层容易得到电子，另一层容易失去电子。22将两层绝缘高分子材料用相对滑动的柔性叠加在一起，使两层绝缘高分子材料在受到外部机械变形变形时相互接触和摩擦。因此，摩擦电荷具有相反的符号。
收稿日期：2012年3月12日
修订： 2012年4月29日
生成并分布在两个聚合物的内表面。一旦变形开始释放，相反的摩擦电荷就会被气隙隔开，形成偶极矩。结果，在两个平面电极之间建立了电位差。为了达到平衡，电子从电位较低的一侧流向电位较高的一侧，导致电极上静电诱导电荷的积累。如果变形被重新应用，使两个聚合物接触，偶极矩消失或减小。因此，电位差的减小导致电极中的电子向相反的方向流动，从而使累积的感应电荷消失。因此，随着结构的反复弯曲和释放，电子以交替的方式驱动顶部流过外部负载。这是交流TEG的基本原理(支持信息图S2和S3)。
