核物理與核技術國家重點實驗室付恩剛課題組與合作者在摩擦納米...

隨著物聯網的快速發展，亟需大量的傳感器和微電子設備來支持這一龐大的信息網絡，同時，對於行動裝置供電系統中的電池與能量收集技術的需求也與日俱增。摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator,TENG）自2012年問世以來，憑藉其通用性、低成本和高效率，逐漸成為能量收集領域的主流技術。TENG的核心要素是摩擦納米材料，但是，現有的摩擦納米材料的界面傳輸電荷能力不足，極大地限制了其應用。因此，當前研究的重點是如何通過材料表面改性，提高其界面傳輸電荷能力。通常，材料表面改性工作大多集中在界面刻蝕與壓印等方向，通過界面的微納米陣列結構來增加有效接觸面積，進而增加接觸起電產生的電荷密度。然而，界面微納米結構在持續摩擦過程中的穩定性一直備受挑戰，研究者們一直在尋找新的更有效的界面調控方法去提高其起電性能。

北京大學物理學院、核物理與核技術國家重點實驗室付恩剛教授課題組與北京納米能源所陳翔宇研究員和王中林研究員課題組，首次將載能離子束與摩擦納米材料相結合，提出了通過低能高密度氦離子的輻照來調控聚合物的摩擦電錶面電荷密度的策略和方法，並成功地獲得了超強正電性起電材料。這項研究利用離子束輻照技術，通過核能損和電子能損等能量傳輸來改變材料的分子結構。離子注入產生的彈性和非彈性碰撞會導致聚合物中大分子的能量達到化學鍵能壘，使相應化學鍵斷裂，化學鍵斷裂產生的大量自由基與斷鍵再結合，重新排列形成新的化學鍵和新的官能團，從而大幅度提高材料的起電性能。

同時，他們對離子輻照引起的不同聚合物的化學結構的變化進行了系統的研究，深入了解並揭示了不同化學基團與電學性能之間的相互作用規律和機理：首次發現供電子基團與吸電子基團這兩種官能團對於摩擦起電過程的傳輸電荷密度有著重要的影響；首次發現未輻照的聚醯亞胺通常是得電子型的摩擦起電材料，離子輻照後的聚醯亞胺（Kapton）薄膜可以在其表面生成一種具有共軛效應的強失電子官能團，從而成為失電子型的摩擦起電材料，即其起電性能有了反轉性的改變。同時，離子輻照不僅使其產生了非常奇特的電性轉變的變化，而且，當它與常用的正電性材料，例如尼龍、碳薄片、食品級耐油丁腈橡膠等配對時，由於具有超強的給電子能力，仍舊錶現出超強的正電性。此外，除了超強正電性之外，輻照改性後的這種材料在TENG器件中也表現出一些前所未有的優異特性，例如高的表面電荷密度（332μC/ m^-2）和出色的穩定性。

離子束輻照改性高分子材料機理與電學性能：(a)離子束輻照材料示意圖；(b)輻照引起Kapton材料化學結構發生舊鍵斷裂與新鍵形成，並產生電子給體基團-醯胺基的示意圖；(c)輻照前後材料的表面結構的透射電子顯微鏡(TEM)和能譜(EDS)圖；(d)對比表明，材料經適當離子輻照劑量後有效電荷傳輸密度顯著提高

劑量為1×10¹⁶ions/cm²的He離子輻照後的Kapton樣品的電學特性：(a)作為正極材料與常規的正極材料組合後的的電壓Voc；(b)峰值功率對電阻的依賴性；(c)器件在不同電容時的充電電壓曲線；(d) 與FEP材料組合後可以點亮十個LED燈；(e) 在60天內保持良好的穩定性

這項研究工作突破了表面結構改性的傳統思路，另闢蹊徑，通過在分子尺度上對起電材料的特殊官能團進行特定設計，進而顯著提高宏觀的起電性能，並揭示了其起電機理，為新型起電材料的設計和發展，提供了全新的策略和方法，帶來了突破性進展。此外，該研究得到的超正起電材料由於其具有良好的柔性和絕緣性，決定了它在TENG器件以及微納發電機中具有廣泛的應用前景。另外，該研究通過離子輻照誘導聚合物的自由基和化學鍵來提升接觸帶電的表面狀態，改變分子的電子結合能從而改變其電學性能。這種官能團調控機理也為傳統的離子束輻照技術開闢了新的應用方向和領域。可以預期，未來會出現眾多離子輻照調控的具有不同優異性能的高分子材料，服務於新能源以及其它有特種性能需求的領域。

這項工作近期以「Manipulating the triboelectric surface charge density of polymers by low-energy helium ion irradiation/implantation」為題在線發表於國際能源領域頂級期刊Energy & Environmental Science。博士生李書瑤和樊勇為該工作的共同第一作者，付恩剛、陳翔宇和王中林為論文的共同通訊作者。該工作得到國家自然科學基金項目、國家基礎研究計劃、國家重點研發計劃、國家磁約束核聚變能研究專項、國家青年人才項目、北京大學核物理與核技術國家重點實驗室、北京大學核技術應用實驗室的資助和支持。