Повышение эффективности трибоэлектрического сбора энергии: Обзор техник диэлектрической поляризации

Аннотация

Устройства сбора энергии, основанные на трибоэлектрическом эффекте, привлекли большое внимание из-за их более высокой выходной производительности по сравнению с другими наногенераторами, что позволило использовать их в различных носимых приложениях. Исходя из механизма работы, трибоэлектрическая производительность в основном пропорциональна плотности поверхностного заряда трибоэлектрических материалов. Различные подходы, такие как модификация поверхностной функциональной группы и диэлектрического состава трибоэлектрических материалов, применялись для повышения плотности поверхностного заряда, что привело к улучшению трибоэлектрических характеристик. В частности, настройка диэлектрических свойств трибоэлектрических материалов может значительно увеличить плотность поверхностного заряда, так как поверхностный заряд пропорционален относительной диэлектрической проницаемости трибоэлектрического материала. Относительная диэлектрическая постоянная модифицируется диэлектрической поляризацией, такой как электронная, вибрационная (или атомная), ориентационная (или дипольная), ионная и межфазная поляризация. Поэтому такая поляризация представляет критический фактор для улучшения диэлектрической постоянной и последующей трибоэлектрической производительности. В этом обзоре мы обобщаем недавние идеи о повышении трибоэлектрической производительности через усиленную диэлектрическую поляризацию.

Введение

Пьезоэлектрические, пироэлектрические и трибоэлектрические устройства привлекли большое внимание как устройства сбора энергии для генерации энергии из окружающей среды, такой как вода, ветер, свет, температура и вибрация [1]. Помимо источников питания, эти устройства могут использоваться как самопитание датчики для различных применений: электронная кожа, устройства мониторинга здоровья и робототехника [2]. Среди них трибоэлектрические устройства демонстрируют относительно более высокую выходную производительность при контакте пары трибоэлектрических материалов [3–6]. Полученные трибоэлектрические сигналы могут использоваться для прямого управления электрическими устройствами [7–11] или мониторинга механических или химических стимулов на устройствах [4]. Трибоэлектрические устройства могут быть просто спроектированы для простой фабрикации, низкой стоимости, отличной выходной производительности и гибкости по сравнению с другими технологиями, что выгодно для самопитания носимых применений [12].

Трибоэлектричество возникает благодаря контактному электричеству и электростатической индукции между неодинаковыми трибоэлектрическими материалами. Механический контакт индуцирует компенсированные противоположные заряды на каждом трибоэлектрическом слое благодаря контактному электричеству, а механическое разделение приводит к потоку тока через внешнюю цепь из-за электростатической индукции. Следовательно, трибоэлектрическая выходная производительность напрямую влияет поверхностные заряды на трибоэлектрических слоях.

Для высокой трибоэлектрической выходной производительности необходимы эффективная генерация поверхностного заряда при контактном электричестве и эффективный перенос заряда при электростатической индукции. Поэтому критически важно выбирать подходящие пары трибоэлектрических контактных материалов и проектировать оптимальные структуры устройств. Исходя из их механизма работы, четыре разных типа трибоэлектрических устройств, состоящих из диэлектрических материалов как трибоэлектрических слоев, были сообщены [5]. Существует две категории трибоэлектрических устройств на основе типов пары трибоэлектрических контактных материалов: диэлектрик-диэлектрик и проводник-диэлектрик контактные режимы устройств (Рис. 1a) [13]. В первом случае две диэлектрические пластины с толщинами d₁ и d₂, а также относительными диэлектрическими постоянными ε_r,1 и ε_r,2 соответственно, стыкуются лицом к лицу как трибоэлектрические слои, а электродные слои осаждаются на внешних диэлектрических поверхностях. Расстояние (x) между двумя трибоэлектрическими слоями изменяется под периодической механической силой.

После контакта поверхности трибоэлектрических слоев имеют противоположные поверхностные заряды, но одинаковую плотность (σ) через контактное электричество. Когда трибоэлектрические слои начинают разделяться из-за увеличения расстояния, разность потенциалов (V) индуцируется между двумя электродами количествами перенесенных положительных/отрицательных зарядов (+Q/–Q). Аналогично, в режиме проводник-диэлектрик контакта без диэлектрика 1, металл 1 используется как верхний трибоэлектрический слой и верхний электрод. В этой структуре устройства есть две части зарядов в металле 1: трибоэлектрические заряды (S × σ) и перенесенные заряды между двумя электродами (–Q), что приводит к (Sσ – Q) общему заряду в металле 1. Учитывая упомянутые выше контактные режимы трибоэлектрических устройств, выходную производительность можно вывести на основе электродинамики следующим образом [13]:

$$V = - \frac{Q}{{S\varepsilon_{0} }}\left( {d_{0} + x\left( t \right)} \right) + \frac{\sigma x\left( t \right)}{{\varepsilon_{0} }}$$ (1)

$$\begin{aligned}&V_{{{\text{OC}}}} = \frac{\sigma \cdot x\left( t \right)}{{\varepsilon_{0} }},\quad { }I_{{{\text{SC}}}} = \frac{{{\text{d}}Q_{SC} }}{{{\text{d}}t}},\\&{ }Q_{{{\text{SC}}}} = \frac{S\sigma x\left( t \right)}{{d_{0} + x\left( t \right)}},\quad { }d_{0} = \mathop \sum \limits_{i = 1}^{n} \frac{{d_{i} }}{{\varepsilon_{r,i} }}{ }\end{aligned}$$ (2)

Эффективная диэлектрическая толщина d₀ определяется как сумма всех толщин диэлектрика d_i, деленная на его относительную проницаемость ε_r,i. Исходя из уравнения 2, трибоэлектрическая производительность напрямую влияет плотность поверхностного заряда (σ) диэлектрических слоев.

Ранее сообщалось о модификации поверхности трибоэлектрических материалов или введении высокодиэлектрических материалов для увеличения плотности поверхностного заряда. Поверхностная модификация, такая как контроль поверхностной морфологии [14–17] или введение заряженных ионов [18–21], увеличивает плотность поверхностного заряда за счет увеличения площади поверхности или трибоэлектрической поляризационности между парами трибоэлектрических слоев. Помимо настройки поверхностного свойства, увеличение диэлектрической постоянной может повысить емкость диэлектрического слоя, что приводит к увеличению плотности поверхностного заряда [6, 22, 23]. В модели параллельно-пластинчатого конденсатора плотность поверхностного заряда может быть связана с емкостью диэлектрического слоя следующим образом [23–25]:

$$\sigma=\frac{CV}{S},\quad C=\frac{S\varepsilon\varepsilon_0}{d}$$ (3)

где C и S указывают на емкость и площадь контакта соответственно. Из уравнения 3, поскольку емкость (C), которая является фактором, способным улучшить плотность поверхностного заряда в диэлектрическом контактном режиме трибоэлектрического устройства [6], увеличивается с диэлектрической постоянной и/или уменьшением толщины диэлектрического слоя, плотность поверхностного заряда прямо пропорциональна отношению диэлектрической постоянной к толщине (ε/d). Аналогично, в трибоэлектрическом устройстве емкость трибо-диэлектрического слоя может быть выражена из уравнения 2 как:

$$C=\frac{Q_\text{SC}}{V_\text{OC}}=\frac{\varepsilon_0S}{d_0+x\left(t\right)}$$ (4)

Например, использование пористого диэлектрического слоя в трибоэлектрическом устройстве — эффективный способ значительно улучшить отношение ε/d путем одновременного увеличения диэлектрической постоянной и уменьшения толщины при сжатии диэлектрического слоя под внешним давлением, тем самым значительно повышая плотность поверхностного заряда [17, 23, 26, 27] даже при использовании тех же трибоэлектрических слоев. Следовательно, диэлектрическая постоянная трибоэлектрического слоя является эффективным фактором для улучшения плотности поверхностного заряда лучше, чем поверхностный потенциал, определяемый выбором пары трибоэлектрических материалов.

Хотя диэлектрическая постоянная трибоэлектрического материала является важным фактором в улучшении трибоэлектрических характеристик, до сих пор не было комплексных обсуждений принципов и стратегий увеличения диэлектрической постоянной. Ранее сообщалось несколько отличных обзоров на трибоэлектрические устройства, включая трибоэлектрические материалы и их механизмы работы [3–6, 12, 21, 28, 29]; однако до сих пор сообщалось только несколько исследований о диэлектрически-индуцированных трибоэлектрических устройствах. Здесь мы представляем основы диэлектрической поляризации и демонстрируем, что выходные характеристики трибоэлектрических устройств могут быть значительно контролируемы и усилены за счет проектирования диэлектрических материалов с контролируемой диэлектрической поляризацией.

Диэлектрическая поляризация для усиления трибоэлектрической производительности

Диэлектрическая постоянная (или относительная проницаемость) определяется как фактор, которым приложенное электрическое поле уменьшается через диэлектрическую поляризацию материалов, которую можно усилить путем инженерии диэлектрических материалов через введение диэлектрических добавок или модификацию химических структур, что приводит к различным диэлектрическим явлениям. Диэлектрическая поляризация может быть разделена на электронную, вибрационную (или атомную), ориентационную (или дипольную), ионную и межфазную поляризацию (Рис. 1b) [30–33]. Электронная и атомная поляризация индуцируются искажением отрицательных электронов и положительных ядер в атоме в противоположном направлении внешнему электрическому полю, тем самым приобретая электрические дипольные моменты, что происходит в резонансном режиме выше инфракрасных частот (> 100 ГГц). Как поляризационно-основанные материалы, такие как полупроводники, не имеют диэлектрических потерь ниже 1 ГГц, они наиболее желательны для практических применений от нескольких Гц до 1 ГГц. Однако большинство органических полимеров демонстрируют более низкие диэлектрические постоянные (< 10), чем полупроводниковые материалы, из-за внутренней природы их молекулярной связи, которая не может индуцировать электронную и атомную поляризацию. Для дальнейшей индукции электронной и атомной поляризации в полимерах, полимерные цепочечные структуры должны включать более крупные атомы с поляризуемыми электронами, такие как Si, Ge или Sn, чем основные полимерные композиции [34–36]. Хотя Si-базированные полимеры, такие как полисилоксаны или их производные, синтезируются, диэлектрическая постоянная не превышает 3–4. Поэтому трудно увеличить электронную/атомную поляризацию в изолирующих полимерах.

В полимерах, тогда как электронная и атомная поляризация ограничены в улучшении диэлектрической постоянной из-за внутренней молекулярной структуры связи, другие дипольная, ионная и межфазная поляризация могут быть использованы для улучшения диэлектрической постоянной. Дипольная (ориентационная) поляризация вызывается реориентацией постоянных молекулярных дипольных моментов в полимерах или нанокомпозитах, включающих наночастицы или дипольные фрагменты, что влияется фазовыми структурами (аморфными или кристаллическими), температурой и частотой (обычно < 10 МГц) [32, 33]. Модификация дипольных структур позволяет приготовление дипольного стекла, ферроэлектрических и релаксорных ферроэлектрических полимеров [30]. Например, дипольная ориентация поливинилиденфторида (PVDF)-производных приводит к формированию β-фазы, тем самым увеличивая диэлектрическую постоянную, что усиливает трибоэлектрическую производительность [37, 38]. Ионная поляризация может быть вызвана относительным смещением между положительно и отрицательно заряженными ионами под внешней силой [30, 39]. Следовательно, полимеры с ионными компонентами могут использоваться для усиления емкостной производительности через ионную поляризацию. Например, ионные компоненты (например, NaCl и LiCl) в гидрогелях поляризуются под внешним полем, приводя к формированию электрических двойных слоев, что приводит к улучшению трибоэлектрической производительности [40–43]. Межфазная поляризация индуцируется реорганизацией пространственных зарядов на интерфейсах в диэлектрических композитах [30, 31]. Следовательно, межфазная поляризация наблюдается во всех много компонентных диэлектрических системах, включая полукристаллические полимеры, полимерные смеси или нанокомпозиты с высоко-k или проводящими нанонаполнителями. Недавно полимерные нанокомпозиты с высоко-k наночастицами, улучшающие чистую диэлектрическую постоянную, тем самым приводящие к улучшению плотности поверхностного заряда и, следовательно, трибоэлектрической производительности, использовались в трибоэлектрических устройствах [23, 44, 45]. В следующих разделах мы приводим некоторые примеры для демонстрации усиления трибоэлектрической выходной производительности через увеличение диэлектрической постоянной.

Межфазная поляризация в нанокомпозитах высокопроницаемых наночастиц/полимер

Высокопроницаемые наночастицы используются для улучшения диэлектрических постоянных полимерных нанокомпозитов благодаря поляризации на интерфейсе между полимером и наночастицами. Поскольку неорганические (например, наночастицы и нанопроволоки титаната бария (BaTiO₃)) или проводящие (например, металлические наночастицы, углеродные нанотрубки и графен) наноматериалы широко используются в полимерных матрицах для увеличения чистой диэлектрической постоянной, полимерные композиты с различными добавками имеют более высокие диэлектрические постоянные, чем базовые полимеры, что приводит к улучшению трибоэлектрических характеристик. Chen et al. приготовили губчатую полидиметилсилоксановую (PDMS) пленку, включающую высоко-k наночастицы (SiO₂, TiO₂, BaTiO₃ и SrTiO₃), для усиления трибоэлектрических характеристик (Рис. 2a) [23]. Поскольку SrTiO₃ демонстрирует более высокую проницаемость, чем остальные, PDMS с SrTiO₃ показывает более высокую диэлектрическую постоянную. Это также может быть вызвано поляризацией пространственного заряда на интерфейсе между PDMS и частицами SrTiO₃. Особенно, трибоэлектрическая выходная производительность улучшается за счет увеличения емкости через увеличенное ε_r/d_PDMS в процессе контакта. Помимо диэлектрических наночастиц, различные виды высокопроницаемых материалов, такие как Al-допированный BaTiO₃ и CaCu₃Ti₄O₁₂, применяются в трибоэлектрических слоях, приводя к улучшению диэлектрической постоянной и результирующей трибоэлектрической производительности (Рис. 2b) [44, 45]. С другой стороны, добавление проводящих материалов позволяет формировать микроконденсаторные структуры в полимерной матрице, которые могут индуцировать накопление пространственного заряда на интерфейсе между полимерной матрицей и добавками. Этот тип межфазной поляризации вызван большей разницей в проводимости между полимером и проводящими добавками.

Следовательно, полимерные композиты с металлическими или углеродными материалами демонстрируют увеличенные диэлектрические постоянные по сравнению с чистыми полимерами, приводя к улучшению плотности поверхностного заряда и результирующей трибоэлектрической производительности (Рис. 3) [6, 46]. Хотя высокопроницаемые полимерные композиты широко используются как трибоэлектрические негативные материалы, существуют некоторые ограничения по улучшению выходной производительности: (1) Существует оптимизированное соотношение добавок в полимерной матрице, потому что избыточные добавки вызывают утеточный ток [46, 48] или уменьшают площадь поверхностного трения [23, 49], что приводит к снижению выходной производительности. (2) Добавки должны быть однородно диспергированы в полимерной матрице для улучшения межфазной поляризации, потому что агрегированные наночастицы прерывают межфазную поляризацию через уменьшение интерфейсной площади между полимером и наночастицами.

Межфазная поляризация в многослойных полимерных пленках

Для случайных фазовых нанокомпозитов наночастиц/полимер межфазная поляризация трудно контролировать, потому что требуется точное управление количеством и дисперсией наночастиц [30]. В многослойных диэлектриках межфазная поляризация может быть легко контролирована, потому что все интерфейсы перпендикулярны электрическому полю, что приводит к однородному накоплению пространственного заряда на многослойных интерфейсах и усиленной диэлектрической постоянной. Многослойные полимерные диэлектрики широко исследовались для усиления их диэлектрической постоянной через межфазную поляризацию между неодинаковыми полимерными слоями [50]. Межфазная поляризация происходит, когда пространственные заряды (электроны и ионы) накапливаются на интерфейсе между двумя неодинаковыми материалами с большими контрастами в проницаемости и электрической проводимости под внешним полем [30]. Kim et al. [51] и Feng et al. [52] продемонстрировали эффект двуслойных пленок с большей разницей в относительной проницаемости на трибоэлектрическую выходную производительность (Рис. 4a,b). Добавление слоев с более низкой диэлектрической постоянной между проводящим слоем и электродом вызывает зарядовый захват или накопление в диэлектрической пленке, тем самым приводя к увеличению плотности заряда. Накопление заряда может быть вызвано увеличенной поляризацией на интерфейсе двуслойных пленок через большую разницу в проницаемости или проводимости между PVDF и изолирующими пленками. С другой стороны, наша группа продемонстрировала эффект двуслойной пленки, состоящей из полимеров с разными фторированными единицами и полиэтилентерефталатом (PET) изолирующими слоями на выходную производительность (Рис. 4c) [53]. Особенно, фторированные полимеры с тремя фторированными единицами в боковой цепи (поли(2,2,2-трифлуороэтил метакрилат), PTF) покрывают PET подложки с более низкой диэлектрической постоянной, тем самым увеличивая диэлектрическую постоянную, вызванную улучшенной межфазной поляризацией на интерфейсе между полукристаллическим PTF и PET. Следовательно, PTF-PET демонстрировал более высокую трибоэлектрическую производительность, чем другие фторированные полимерные пленки. Основываясь на вышеуказанных результатах, гетерогенные диэлектрические многослойные пленки могут быть надежным дизайном для усиления трибоэлектрической производительности гибких или носимых устройств.

Ионная поляризация в ионных полимерных гелях

В полимерной матрице, включающей ионные компоненты, кроме примесных ионов, ионная поляризация способствует формированию электрического двойного слоя (EDL) на интерфейсе между полимерным электролитом и электродом, тем самым приводя к улучшению диэлектрической постоянной [30, 39, 54]. Поляризация часто используется в устройствах накопления энергии, таких как конденсаторы (например, суперконденсаторы или EDL конденсаторы) и батареи [55]. Согласно уравнению Гельмгольца, емкость может быть выражена как C ≈ kε₀/λ, где k, ε₀ и λ — эффективная диэлектрическая постоянная EDL, вакуумная проницаемость и Дебаевская длина экранирования (или толщина двойного слоя) соответственно. В трибоэлектрическом устройстве ионные компоненты, такие как симметричные или асимметричные ионные пары и ионные жидкости, в полимерных материалах часто используются. Поскольку поли(виниловый спирт) (PVA) является типом негативного трибоэлектрического материала из-за гидроксильных групп в полимерной спине, он может взаимодействовать с разными типами ионных пар. Когда внешнее электрическое поле приложено, ионная поляризация может произойти благодаря относительному смещению между положительными и отрицательными ионами, тем самым способствуя формированию EDL на интерфейсе между трибоэлектрическими слоями. Ryu et al. [43] приготовили PVA-базированные твердые полимерные электролиты (SPEs) с симметричными или асимметричными ионами как положительные или негативные трибоэлектрические слои соответственно (Рис. 5a). После процесса контакта с pristine PVA, разные поверхностные потенциалы систематически измеряли эффектом разных типов ионного легирования. Например, SPEs становятся негативными или положительными трибоэлектрическими материалами после добавления фосфорной кислоты (H₃PO₄) с большим количеством катионов, чем анионов, или хлорида кальция (CaCl₂) с большим количеством анионов, чем катионов, соответственно, потому что катионы или анионы создают дополнительные электронно-заряженные или свободные состояния. Практически показано, что ионный проводник, состоящий из PVA с бораксовым раствором или поли(акриламида) с хлоридом лития, применяется в биомеханическом сборе энергии и тактильном сенсировании, что усиливает трибоэлектрические характеристики через формирование EDL (Рис. 5b) [41, 42, 56]. Аналогично, Zou et al. [40] изготовили бионический растяжимый наногенератор, состоящий из эластомера Ecoflex и раствора хлорида натрия (NaCl), вдохновленный структурой ионных каналов на цитомебране электролита в электрической угрице. Комбинируя эффекты трибоэлектрификации через текущую жидкость и электростатической индукции через поляризованные ионы, устройство собирает механическую энергию от подводных движений человека с напряжением открытой цепи более 10 В. Кроме того, Lee et al. [56] исследовали трибоэлектрическую производительность, когда наногенератор был соединен с блоком ионного геля, составленным из ионной жидкости и поли(винилиденфторид-ко-хексафторилпропилена), создавая широкий и вязкий профиль напряжения из-за большого времени релаксации поляризованных ионов (Рис. 5c). Ионно-гелевые трибоэлектрические устройства позволяют fabricación ультрарастяжимых, прозрачных и водонепроницаемых носимых устройств, хотя устройства должны быть инкапсулированы эластомерной матрицей для предотвращения утечки ионов.

Дипольная поляризация в ферроэлектрических производных PVDF

Дипольная (ориентационная) поляризация — еще одна стратегия усиления диэлектрической постоянной с низкими диэлектрическими потерями, вызванная увеличением дипольного момента через выравнивание диполей в фазовых структурах полимерных цепей. Типичные примеры — PVDF и его производные. Полимеры имеют постоянные дипольные моменты, поскольку образуется однонаправленная β-фаза, приводя к увеличению диэлектрической постоянной и результирующей трибоэлектрической производительности. Cheon et al. [37] продемонстрировали высокопроизводительные трибоэлектрические наногенераторы на основе композитных нановолокон PVDF-сребряной нанопроволоки (AgNW) (Рис. 6a). Введение AgNW в PVDF увеличивает отношение β-фазы к α-фазе через взаимодействие между AgNW и молекулярными цепями PVDF, тем самым приводя к улучшению диэлектрической постоянной, что позволяет зарядовый захват на диэлектрическом слое PVDF-AgNW. Помимо металлических источников, Seung et al. [38] ввели полупроводниковые наночастицы (BaTiO₃) в ферроэлектрическую кополимерную матрицу (поли(винилиденфторид-трифлуороэтилен), PVDF-TrFE) (Рис. 6b). Трибоэлектрическая производительность значительно усиливается после процесса поляризации, который более чем в 150 раз превышает типичные политетрафторилэтилен-базированные трибоэлектрические наногенераторы. В отличие от гетерогенных полимерных композитов, наша группа недавно продемонстрировала эффект ферроэлектрических многослойных нанокомпозитов на трибоэлектрическую производительность (Рис. 6c) [57]. Многослойные диэлектрические пленки, состоящие из чередующихся слоев PVDF-TrFE и BaTiO₃, демонстрируют более высокую диэлектрическую постоянную (17,1), чем чистая пленка PVDF-TrFE (13,9) и однослойный нанокомпозит PVDF-TrFE/BaTiO₃ (15,9) из-за межфазной поляризации между кополимером и слоями наночастиц, как объяснено в разделе о многослойных диэлектрических пленках (Рис. 4). Последовательно, трибоэлектрическая выходная производительность увеличивается по сравнению с однослойными пленками. Хотя ферроэлектрические полимерные нанокомпозиты улучшают трибоэлектрическую выходную производительность благодаря увеличению диэлектрической постоянной через высокую ферроэлектрическую поляризацию, существует ограничение в увеличении выходной производительности из-за периодического порога добавок.

С другой стороны, дипольной момент может быть модифицирован введением полярных одиночных молекул [58], таких как –CN, –NO₂ и –SO₂–, или полярных полимеров [59–61], включая полистирол, поли(2-гидроксиэтил метакрилат) и поли(дофамин метакриламид), которые позволяют вращение диполей в свободном объеме полимеров, тем самым приводя к улучшению диэлектрической постоянной. Дипольная поляризация недавно использовалась для увеличения диэлектрической постоянной трибоэлектрических материалов путем присоединения полярных групп с большими дипольными моментами к боковой цепи полимеров [22]; Lee et al. продемонстрировали, что PVDF-графтированный кополимер заметно увеличил трибоэлектрическую выходную производительность (Рис. 7). Поли(терт-бутил акрилат) (PtBA) с разными графтирующими соотношениями вводили в цепь PVDF, приводя к усиленному дипольному моменту через π-связывание и полярные эфирные группы в PtBA, что улучшало диэлектрическую постоянную и впоследствии трибоэлектрическую выходную производительность. Помимо графтированного полимера, полимерные диэлектрики с наноструктурными доменами увеличивают диэлектрическую постоянную за счет дипольной ориентационной поляризуемости [62]. Хотя полимерные диэлектрические материалы имеют некоторые преимущества, такие как растворительная процессность и гибкость, мало исследований, где такая поляризация в трибоэлектрических устройствах применялась, было сообщено до сих пор.

Заключение и перспективы

Самопитание носимые и имплантируемые электронные устройства необходимы, особенно с развитием технологии Интернета вещей (IoT). Поскольку трибоэлектрический эффект — одно из самых часто встречающихся явлений в повседневной жизни, трибоэлектрические устройства являются перспективным сборщиком энергии для самопитания носимых устройств в сочетании с другими типами применений. В развитии индустрии IoT электронные устройства требуют миниатюризации и мультифункциональности, что нуждается в высоких выходных характеристиках. Хотя трибоэлектрические устройства с высокой выходной производительностью были разработаны путем использования структур устройств с комбинированными режимами работы [63–65], необходимо улучшить выходную производительность для множества устройств.

До сих пор исследования фокусировались на разработке пары трибоэлектрических материалов (обычно негативных трибоэлектрических материалов), тогда как диэлектрические трибо-материалы редко изучались. Поскольку диэлектрические материалы имеют потенциал усилить трибоэлектрические характеристики согласно соотношению между плотностью поверхностного заряда и диэлектрической постоянной, изобретение трибоэлектрических материалов на основе различных механизмов поляризации позволяет разрабатывать высокомощные носимые устройства, что может быть достигнуто следующим образом:

1. Поскольку множество высоко-k диэлектрических материалов были синтезированы контролем структурного фактора [66] или химическим легированием [67, 68], существует несколько кандидатов для увеличения диэлектрической постоянной полимерных композитов. Кроме того, поверхностная модификация диэлектрических наноматериалов для однородной дисперсии в полимерной матрице [69, 70] и контроль диэлектрической структуры (например, гетероструктурные многослойные композиты [30, 31, 71, 72] или диэлектрические композиты с выровненными проводящими материалами [73, 74]) изучались для увеличения диэлектрических свойств. Однако мало подходов было использовано в трибоэлектрических устройствах для усиления выходной производительности. Высокая совместимость или выравнивание добавок в полимерной матрице позволит увеличить интерфейсную площадь или уменьшить утеточный ток, что приведет к улучшению диэлектрической постоянной и результирующей выходной производительности.

2. Помимо диэлектрических полимерных нанокомпозитов, модификация полимерных цепных структур может усилить диэлектрические свойства благодаря дипольной поляризации через улучшенные дипольные моменты. До сих пор полимерные материалы с высокими диэлектрическими постоянными синтезировали путем графтирования поляризуемых компонентов [58, 60] или инженерии наноструктур [61, 62, 75, 76], что увеличивает диэлектрическую постоянную через дипольную поляризацию. Полимерные диэлектрические материалы являются хорошими кандидатами для использования как трибоэлектрические материалы из-за их физических свойств, таких как гибкость и растворительная процессность, что облегчает разработку печатаемых трибоэлектрических устройств для носимых применений следующего поколения.

3. Помимо диэлектрической поляризации, процесс электро polaризации, который может индуцировать реориентацию диполей под сильным электрическим полем, может быть другим подходом к улучшению диэлектрической постоянной, что впоследствии позволяет усилить трибоэлектрические характеристики [77–80]. Недавно само-поляризационные методы применялись для значительного улучшения ферроэлектрических свойств через сдвиг-индуцированный процесс [81] в пьезоэлектрических генераторах, хотя выходная производительность остается ниже, чем у трибоэлектрических генераторов. Механизм, комбинированный с диэлектрической поляризацией и само-поляризацией в диэлектрических композитах, может быть синергетическим эффектом для значительного улучшения диэлектрической постоянной, приводящего к заметному усилению трибоэлектрических характеристик.

4. Большинство исследований фокусировались на негативных трибоэлектрических материалах. Поскольку трибоэлектрическая производительность возникает от контактного электричества между положительным и негативным трибоэлектрическими слоями, положительные трибоэлектрические материалы являются важным фактором для усиления выходной производительности. Поляризационно-индуцированные пары трибоэлектрических материалов могут способствовать разработке трибоэлектрических устройств с значительно усиленными выходными характеристиками, что облегчает практические применения, требующие высокой выходной мощности, такие как умные носимые устройства и портативные IoT устройства.

Доступность данных и материалов

Не применимо.

Аббревиатуры

EDL:

Электрический двойной слой

PDMS:

Полидиметилсилоксан

PET:

Полиэтилентерефталат

PtBA:

Поли(терт-бутил акрилат)

PTF:

Поли(2,2,2-трифлуороэтил метакрилат)

PVA:

Поли(виниловый спирт)

PVDF:

Поливинилиденфторид

SPE:

Твердый полимерный электролит