Высокопроизводительные трибоэлектрические устройства с использованием диэлектрической поляризации:обзор

Введение

Пьезоэлектрические, пироэлектрические и трибоэлектрические устройства привлекли большое внимание как устройства для сбора энергии для выработки энергии из окружающей среды, такой как вода, ветер, свет, температура и вибрация [1]. Помимо источников питания, эти устройства могут использоваться в качестве датчиков с автономным питанием для различных приложений, таких как электронные скины, устройства мониторинга здравоохранения и робототехника [2]. Среди них трибоэлектрические устройства демонстрируют относительно более высокие выходные характеристики при контакте нескольких трибоэлектрических материалов [3,4,5,6]. Создаваемые трибоэлектрические сигналы могут использоваться для непосредственного управления электрическими устройствами [7,8,9,10,11] или для отслеживания механических или химических воздействий на устройства [4]. Трибоэлектрические устройства могут быть просто спроектированы с учетом простоты изготовления, низкой стоимости, превосходных выходных характеристик и гибкости по сравнению с другими технологиями, что является преимуществом для носимых приложений с автономным питанием [12].

Трибоэлектричество возникает из-за контактной электризации и электростатической индукции между разнородными трибоэлектрическими материалами. Механический контакт индуцирует компенсированные противоположные заряды на каждом трибоэлектрическом слое из-за электризации контакта, а механическое разделение приводит к протеканию тока через внешнюю цепь из-за электростатической индукции. Следовательно, на выходную трибоэлектрическую характеристику напрямую влияют поверхностные заряды на трибоэлектрических слоях.

Для получения высоких трибоэлектрических характеристик необходимы эффективное генерирование поверхностного заряда во время контактной электризации и эффективный перенос заряда во время электростатической индукции. Поэтому очень важно выбрать подходящие материалы для трибоэлектрической контактной пары и спроектировать оптимальную конструкцию устройства. В зависимости от механизма работы были описаны четыре различных типа трибоэлектрических устройств, состоящих из диэлектрических материалов в виде трибоэлектрических слоев [5]. Существует две категории трибоэлектрических устройств, основанных на типах материалов трибоэлектрических контактных пар:устройства с режимом контакта диэлектрик-диэлектрик и проводник-диэлектрик (рис. 1а) [13]. В первом случае две диэлектрические пластины толщиной d ₁ и d ₂ , а также относительные диэлектрические проницаемости ε _{r, 1} и ε _{r, 2} соответственно, уложены друг к другу в виде трибоэлектрических слоев, а электродные слои нанесены на внешнюю диэлектрическую поверхность. Расстояние ( x ) между двумя трибоэлектрическими слоями изменяется под действием периодической механической силы.

Трибоэлектрический прибор на основе диэлектрика и диэлектрическая поляризация: a Теоретические модели для контактных мод с параллельными пластинами и эквивалентная схема для TENG диэлектрик-диэлектрик и провод-диэлектрик (Воспроизведено из [21]. Copyright 2014 Royal Society of Chemistry). б Реальный ( ε ') и мнимой части ( ε ") диэлектрической проницаемости как функции частоты в полимере, имеющем механизмы межфазной, ориентационной, ионной и электронной поляризации (Воспроизведено с разрешения [32, 33]. Copyright 2012 American Chemical Society)

Впоследствии контактирующие поверхности трибоэлектрического слоя имеют противоположные поверхностные заряды, но одинаковую плотность ( σ ) через контактную электрификацию. Когда трибоэлектрические слои начинают отделяться друг от друга из-за увеличения расстояния, возникает разность потенциалов ( V ) индуцируется между двумя электродами за счет количества перенесенных положительных / отрицательных зарядов (+ Q / –Q ). Точно так же в режиме контакта проводник-диэлектрик без слоя диэлектрика 1 металл 1 используется как в качестве верхнего трибоэлектрического слоя, так и в качестве верхнего электрода. В этой конструкции устройства есть две части зарядов в металле 1:трибоэлектрические заряды (\ (S \ times \ sigma \)) и переносимые заряды между двумя электродами ( –Q ), что приводит к (\ (S \ sigma - Q \)) полных зарядов в металле 1. Рассматривая трибоэлектрические устройства контактного режима, упомянутые выше, выходные характеристики могут быть получены на основе электродинамики следующим образом [13]:

Эффективная толщина диэлектрика d ₀ определяется как сумма всех толщин диэлектрика d _я деленное на его относительную диэлектрическую проницаемость ε _{г, я} . На основании уравнения. 2, на трибоэлектрические характеристики напрямую влияет плотность поверхностного заряда (\ (\ sigma \)) диэлектрических слоев.

Ранее сообщалось, что модификация поверхности трибоэлектрических материалов или введение материалов с высокой диэлектрической проницаемостью увеличивает плотность поверхностного заряда. Модификация поверхности, такая как контроль морфологии поверхности [14,15,16,17] или введение заряженных ионов [18,19,20,21], увеличивает плотность поверхностного заряда за счет увеличения площади поверхности или трибоэлектрической полярности между трибоэлектрическими элементами. парные слои. Помимо настройки свойств поверхности, увеличение диэлектрической проницаемости может увеличить емкость диэлектрического слоя, что приведет к увеличению плотности поверхностного заряда [6, 22, 23]. В модели конденсатора с параллельными пластинами поверхностная плотность заряда может быть связана с емкостью диэлектрического слоя следующим образом [23,24,25]:

где C и S указывают емкость и площадь контакта соответственно. Из уравнения. 3, поскольку емкость ( C ), который является фактором, способным улучшить поверхностную плотность заряда в трибоэлектрическом устройстве с диэлектрическим контактом [6], увеличивается с диэлектрической проницаемостью и / или уменьшением толщины диэлектрического слоя, поверхностная плотность заряда прямо пропорциональна отношение диэлектрической проницаемости к толщине ( ε / d ). Точно так же в трибоэлектрическом устройстве емкость трибо-диэлектрического слоя может быть выражена по формуле. 2 как:

Например, использование пористого диэлектрического слоя в трибоэлектрическом устройстве является эффективным способом значительного увеличения ε / d соотношение за счет одновременного увеличения диэлектрической проницаемости и уменьшения толщины, когда диэлектрический слой сжимается под внешним давлением, тем самым значительно увеличивая поверхностную плотность заряда [17, 23, 26, 27], даже когда используются те же трибоэлектрические слои. Следовательно, диэлектрическая проницаемость трибоэлектрического слоя является эффективным фактором для улучшения поверхностной плотности заряда лучше, чем поверхностный потенциал, определяемый выбором материалов трибоэлектрической пары.

Хотя диэлектрическая проницаемость трибоэлектрического материала является важным фактором улучшения трибоэлектрических характеристик, всесторонние обсуждения принципов и стратегий увеличения диэлектрической проницаемости не проводились. Ранее было опубликовано несколько превосходных обзоров трибоэлектрических устройств, включая трибоэлектрические материалы и их рабочие механизмы [3,4,5,6, 12, 21, 28, 29]; однако на сегодняшний день опубликовано лишь несколько исследований трибоэлектрических устройств, индуцированных диэлектриком. Здесь мы знакомим с основами диэлектрической поляризации и демонстрируем, что выходные характеристики трибоэлектрических устройств можно значительно контролировать и улучшать за счет разработки диэлектрических материалов с контролируемой диэлектрической поляризацией.

Диэлектрическая поляризация для улучшения трибоэлектрических характеристик

Диэлектрическая проницаемость (или относительная диэлектрическая проницаемость) определяется как фактор, посредством которого прикладываемое электрическое поле уменьшается за счет диэлектрической поляризации материалов, которая может быть усилена путем разработки диэлектрических материалов путем введения диэлектрических добавок или модификации химической структуры, что приводит к к различным диэлектрическим явлениям. Диэлектрическую поляризацию можно разделить на электронную, колебательную (или атомную), ориентационную (или диполярную), ионную и межфазную поляризацию (рис. 1б) [30,31,32,33]. Электронная и атомная поляризации вызваны искажением отрицательных электронов и положительных ядер в атоме в направлении, противоположном внешнему электрическому полю, тем самым приобретая электрические дипольные моменты, которые возникают в режиме резонанса выше инфракрасных частот (> 100 ГГц). Поскольку материалы на основе поляризации, такие как полупроводники, не имеют диэлектрических потерь ниже 1 ГГц, они являются наиболее востребованными для практических приложений в диапазоне от нескольких Гц до 1 ГГц. Однако большинство органических полимеров имеют более низкие значения диэлектрической проницаемости (<10), чем полупроводниковые материалы, из-за внутренней природы их молекулярных связей, которые не могут вызывать электронную и атомную поляризацию. Чтобы дополнительно вызвать электронную и атомную поляризацию в полимерах, структуры полимерных цепей должны включать более крупные атомы с поляризуемыми электронами, такие как Si, Ge или Sn, чем в основных полимерных композициях [34,35,36]. Хотя полимеры на основе Si, такие как полисилоксаны или их производные, синтезируются, диэлектрическая проницаемость не превышает 3–4. Следовательно, сложно увеличить электронную / атомную поляризацию в изолирующих полимерах.

В полимерах, в то время как электронная и атомная поляризации ограничиваются увеличением диэлектрической проницаемости из-за внутренней структуры молекулярных связей, другие диполярные, ионные и межфазные поляризации могут использоваться для улучшения диэлектрической проницаемости. Диполярная (ориентационная) поляризация вызывается переориентацией постоянных молекулярных дипольных моментов в полимерах или нанокомпозитах, включая наночастицы или диполярные фрагменты, на которую влияют фазовые структуры (аморфная или кристаллическая), температура и частота (обычно <10 МГц) [ 32, 33]. Модификация дипольных структур позволяет получать дипольные стекла, сегнетоэлектрики и релаксорные сегнетоэлектрические полимеры [30]. Например, дипольная ориентация производных поливинилиденфторида (ПВДФ) приводит к образованию β -фаза, тем самым увеличивая диэлектрическую проницаемость, что улучшает трибоэлектрические характеристики [37, 38]. Ионная поляризация может быть вызвана относительными смещениями между положительно и отрицательно заряженными ионами под действием внешней силы [30, 39]. Следовательно, полимеры с ионными компонентами могут использоваться для улучшения емкостных характеристик за счет ионной поляризации. Например, ионные компоненты (например, NaCl и LiCl) в гидрогелях поляризованы под действием внешнего поля, что приводит к образованию двойных электрических слоев, что приводит к улучшению трибоэлектрических характеристик [40,41,42,43]. Межфазная поляризация вызывается реорганизацией пространственных зарядов на границах раздела в диэлектрических композитах [30, 31]. Следовательно, межфазная поляризация наблюдается во всех многокомпонентных диэлектрических системах, включая полукристаллические полимеры, полимерные смеси или нанокомпозиты с высоким k - или проводящие нанонаполнители. В последнее время полимерные нанокомпозиты с высокой k наночастицы, которые улучшают чистую диэлектрическую проницаемость, тем самым приводя к увеличению поверхностной плотности заряда и, следовательно, трибоэлектрических характеристик, были использованы в трибоэлектрических устройствах [23, 44, 45]. В следующих разделах мы представим несколько примеров, демонстрирующих улучшение трибоэлектрических характеристик за счет увеличения диэлектрической проницаемости.

Межфазная поляризация в композитах наночастиц / полимеров с высокой диэлектрической проницаемостью

Наночастицы с высокой диэлектрической проницаемостью используются для улучшения диэлектрической проницаемости полимерных нанокомпозитов за счет поляризации на границе раздела между полимером и наночастицами. Поскольку неорганические соединения (например, титанат бария (BaTiO ₃ ) наночастицы и нанопроволоки) или проводящие (например, металлические наночастицы, углеродные нанотрубки и графен) наноматериалы широко используются в полимерных матрицах для увеличения чистой диэлектрической проницаемости, полимерные композиты с различными добавками имеют более высокие диэлектрические постоянные, чем базовые полимеры, что приводит к улучшению трибоэлектрические характеристики. Chen et al. подготовили губчатую полидиметилсилоксановую (ПДМС) пленку, включая высокую k наночастицы (SiO ₂ , TiO ₂ , BaTiO ₃ , и SrTiO ₃ ), чтобы улучшить трибоэлектрические характеристики (рис. 2а) [23]. Поскольку SrTiO ₃ демонстрирует более высокую диэлектрическую проницаемость, чем другие, PDMS с SrTiO ₃ показывает более высокую диэлектрическую проницаемость. Это также может быть вызвано поляризацией пространственного заряда на границе раздела между PDMS и SrTiO ₃ частицы. Примечательно, что выходные трибоэлектрические характеристики улучшаются за счет увеличения емкости за счет увеличения ε _r / d _PDMS в процессе контакта. Помимо диэлектрических наночастиц, используются различные виды материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, такие как BaTiO ₃ , легированный алюминием. и CaCu ₃ Ti ₄ О ₁₂ , применяются в трибоэлектрических слоях, что приводит к улучшенной диэлектрической проницаемости и результирующим трибоэлектрическим характеристикам (рис. 2b) [44, 45]. С другой стороны, добавление проводящих материалов позволяет формировать структуры микроконденсаторов в полимерной матрице, которые могут вызывать накопление пространственного заряда на границе раздела между полимерной матрицей и добавками. Этот тип межфазной поляризации вызван большей разницей в проводимости между полимером и проводящими добавками.

Трибоэлектрические характеристики, усиленные межфазной поляризацией в композитах наночастицы / полимер с высокой диэлектрической проницаемостью: a Трибоэлектрический наногенератор на основе композита из диэлектрических наночастиц / губки ПДМС (Воспроизведено с разрешения [23]. Авторское право Американского химического общества, 2016 г.). б Трибоэлектрический наногенератор с контактно-разделительным режимом с композитными пленками P (VDF-TrFE) и PDMS с высоким содержанием диэлектрических частиц в качестве фрикционных слоев (Воспроизведено из [45]. Авторское право 2018 Royal Society of Chemistry)

Следовательно, полимерные композиты с материалами на основе металлов или углерода демонстрируют повышенную диэлектрическую проницаемость по сравнению с чистыми полимерами, что приводит к увеличению поверхностной плотности заряда и, как следствие, трибоэлектрическим характеристикам (рис. 3) [6, 46]. Хотя полимерные композиты с высокой диэлектрической проницаемостью широко используются в качестве трибоэлектрических отрицательных материалов, существуют некоторые ограничения в отношении улучшения выходных характеристик:(1) Оптимальное соотношение добавок в полимерной матрице, поскольку чрезмерные добавки вызывают ток утечки [46, 48] или уменьшенная площадь поверхностного трения [23, 49], что приводит к снижению производительности. (2) Добавки должны быть равномерно диспергированы в полимерной матрице для улучшения межфазной поляризации, поскольку агрегированные наночастицы прерывают межфазную поляризацию за счет уменьшения межфазной площади между полимером и наночастицами.

Трибоэлектрические характеристики улучшаются за счет межфазной поляризации в полимерных композитах с материалами на основе металлов или углерода: a Трибоэлектрический наногенератор на основе композита GPs @ PDMS (Воспроизведено из [82]. Copyright 2015 Royal Society of Chemistry). б Трибоэлектрический наногенератор на основе жидких металлических включений с зажатыми диэлектрическими пакетами (Воспроизведено из [48]. Авторское право 2019 Royal Society of Chemistry)

Межфазная поляризация в многослойных полимерных пленках

Для композитов наночастицы / полимер со случайной фазой трудно контролировать межфазную поляризацию, потому что требуется точный контроль количества и дисперсии наночастиц [30]. В многослойных диэлектриках межфазной поляризацией можно легко управлять, поскольку все границы раздела перпендикулярны электрическому полю, что приводит к равномерному накоплению пространственного заряда на многослойных границах раздела и увеличению диэлектрической проницаемости. Многослойные полимерные диэлектрики широко исследуются для увеличения их диэлектрической проницаемости за счет межфазной поляризации между разнородными полимерными слоями [50]. Межфазная поляризация возникает, когда объемные заряды (электроны и ионы) накапливаются на границе раздела двух разнородных материалов с большими контрастами диэлектрической проницаемости и электропроводности во внешнем поле [30]. Kim et al. [51] и Feng et al. [52] продемонстрировали влияние двухслойных пленок с большей разницей в относительной диэлектрической проницаемости на выходную трибоэлектрическую характеристику (рис. 4a, b). Добавление нижних диэлектрических слоев между проводящим слоем и электродом вызывает захват или накопление заряда в диэлектрической пленке, что приводит к увеличению плотности заряда. Накопление заряда может быть вызвано повышенной поляризацией на границе раздела двухслойных пленок из-за большой разницы в диэлектрической проницаемости или проводимости между PVDF и изолирующими пленками. С другой стороны, наша группа продемонстрировала влияние двухслойной пленки, состоящей из полимеров с различными звеньями фтора и изолирующих слоев полиэтилентерефталата (ПЭТ), на выходные характеристики (рис. 4c) [53]. Примечательно, что фторированные полимеры с тремя звеньями фтора в боковой цепи (поли (2,2,2-трифторэтилметакрилат), ПТФ) наносятся на подложки из ПЭТ с более низкой диэлектрической проницаемостью, тем самым увеличивая диэлектрическую проницаемость, что вызвано улучшенным межфазная поляризация на границе раздела полукристаллических ПТФ и ПЭТ. Следовательно, ПТФ – ПЭТ демонстрирует более высокие трибоэлектрические характеристики, чем другие пленки из фторированного полимера. Основываясь на вышеупомянутых результатах, неоднородные диэлектрические многослойные пленки могут быть надежной конструкцией для улучшения трибоэлектрических характеристик гибких или носимых устройств.

Трибоэлектрические характеристики, улучшенные за счет межфазной поляризации в многослойных полимерных пленках: a Трибоэлектрический наногенератор, состоящий из двойного слоя ПВДФ / ПДМС и двойного слоя нейлона 6 / ПДМС с различной толщиной прослойки ПДМС (адаптировано из [51]. Copyright 2018 Elsevier). б Трибоэлектрический наногенератор без ПИ и с ПИ в качестве переходного слоя для накопления заряда (адаптировано из [52]. Copyright 2017 Elsevier). c Двухслойный трибоэлектрический наногенератор на основе фторированных полимеров с различными типами фторных звеньев (Воспроизведено из [53]. Copyright 2018 Elsevier)

Ионная поляризация в ионных полимерных гелях

В полимерной матрице, включающей ионные компоненты, за исключением примесных ионов, ионная поляризация способствует образованию двойного электрического слоя (ДЭС) на границе раздела между полимерным электролитом и электродом, что приводит к увеличению диэлектрической проницаемости [30, 39, 54]. Поляризация часто используется в устройствах накопления энергии, таких как конденсаторы (например, суперконденсаторы или конденсаторы EDL) и батареи [55]. Согласно уравнению Гельмгольца, емкость можно выразить как C ≈ kε ₀ / λ , где k , ε ₀ , и λ - эффективная диэлектрическая проницаемость ДЭС, диэлектрическая проницаемость вакуума и дебаевская длина экранирования (или толщина двойного слоя) соответственно. В трибоэлектрическом устройстве часто используются ионные компоненты, такие как симметричные или асимметричные ионные пары и ионные жидкости в полимерных материалах. Поскольку поливиниловый спирт (ПВС) представляет собой тип отрицательного трибоэлектрического материала из-за наличия гидроксильных групп в основной цепи полимера, он может взаимодействовать с различными типами ионных пар. При приложении внешнего электрического поля может происходить ионная поляризация из-за относительных смещений между положительными и отрицательными ионами, тем самым способствуя образованию EDL на границе раздела между трибоэлектрическими слоями. Ryu et al. [43] приготовили твердые полимерные электролиты (ТПЭ) на основе ПВС с симметричными или асимметричными ионами в качестве положительных или отрицательных трибоэлектрических слоев соответственно (рис. 5а). После процесса контакта с чистым ПВС, различные поверхностные потенциалы систематически измерялись влиянием различных типов ионного легирования. Например, SPE становятся отрицательными или положительными трибоэлектрическими материалами после добавления фосфорной кислоты (H ₃ ЗП ₄ ) с большим количеством катионов, чем анионы или хлорид кальция (CaCl ₂ ) с большим количеством анионов, чем катионов, соответственно, потому что катионы или анионы создают дополнительные заряженные или незанятые состояния электронов. Практически показано, что ионный проводник, состоящий из ПВС с раствором буры или поли (ациламида) с хлоридом лития, применяется в приложениях для сбора биомеханической энергии и тактильного зондирования, что улучшает трибоэлектрические характеристики за счет образования EDL (рис. 5b) [41, 42, 56]. Аналогичным образом Zou et al. [40] изготовили бионический растягиваемый наногенератор, состоящий из эластомера Ecoflex и раствора хлорида натрия (NaCl), вдохновленный структурой ионных каналов на цитомембране электролита электрического угря. Комбинируя эффекты трибоэлектрификации за счет текущей жидкости и электростатической индукции через поляризованные ионы, устройство собирает механическую энергию от движения человека под водой с напряжением холостого хода более 10 В. Кроме того, Lee et al. [56] исследовали трибоэлектрические характеристики, когда наногенератор был подключен к ионно-гелевому блоку, состоящему из ионной жидкости и сополимера винилиденфторида и гексафторпропилена, создавая широкий и медленный профиль напряжения из-за большого времени релаксации поляризованных ионов. (Рис. 5c). Трибоэлектрические устройства на основе ионного геля позволяют изготавливать сверхэластичные, прозрачные и водонепроницаемые носимые устройства, хотя эти устройства должны быть заключены в эластомерную матрицу для предотвращения утечки ионов.

Трибоэлектрические характеристики улучшаются за счет ионной поляризации в ионном полимерном геле: a SPE-трибоэлектрический наногенератор на основе ПВС с различными типами ионов (Воспроизведено с разрешения [43]. Copyright 2017 Wiley – VCH). б Мягкий кожевенный трибоэлектрический наногенератор, который обеспечивает сбор биомеханической энергии и тактильное восприятие за счет гибридизации эластомера и ионного гидрогеля (PAAm-LiCl) в качестве слоя электрификации и электрода соответственно (Воспроизведено в соответствии с условиями лицензии CC-BY-NC 4.0 Ref. [41]. Авторское право, 2017 г., Американская ассоциация развития науки). c Система трибоэлектрик-ион-гель, состоящая из трибоэлектрического наногенератора и ионно-гелевых блоков (Воспроизведено из [56]. Copyright 2018 Elsevier)

Диполярная поляризация в сегнетоэлектрических производных PVDF

Диполярная (ориентационная) поляризация - это еще одна стратегия повышения диэлектрической проницаемости с низкими диэлектрическими потерями, которая вызвана повышенным дипольным моментом через выровненные диполи в фазовых структурах полимерных цепей. Типичными примерами являются ПВДФ и его производные. Полимеры обладают постоянными дипольными моментами, поскольку однонаправленный β -фаза образуется, что приводит к увеличению диэлектрической проницаемости и, как следствие, трибоэлектрических характеристик. Cheon et al. [37] продемонстрировали высокоэффективные трибоэлектрические наногенераторы на основе композитных нановолокон PVDF-серебряная нанопроволока (AgNW) (рис. 6а). Введение AgNW в PVDF увеличивает соотношение β -фазу до α -фаза за счет взаимодействия между AgNW и молекулярными цепочками PVDF, что приводит к улучшенной диэлектрической проницаемости, что позволяет удерживать заряд на диэлектрическом слое PVDF-AgNW. Помимо источников металлов, Сеунг и др. . [38] представили полупроводниковые наночастицы (BaTiO ₃ ) в матрицу сегнетоэлектрического сополимера (поливинилиденфторид-трифторэтилен), ПВДФ-ТрФЭ) (рис. 6б). Трибоэлектрические характеристики значительно улучшаются после процесса полирования, что в 150 раз больше, чем у типичных трибоэлектрических наногенераторов на основе политетрафторэтилена. В отличие от гетерогенных полимерных композитов, наша группа недавно продемонстрировала влияние сегнетоэлектрических многослойных нанокомпозитов на трибоэлектрические характеристики (рис. 6c) [57]. Многослойные диэлектрические пленки, состоящие из чередующихся PVDF-TrFE и BaTiO ₃ слои имеют более высокую диэлектрическую проницаемость (17,1), чем пленка из чистого PVDF-TrFE (13,9) и одиночная пленка PVDF-TrFE / BaTiO ₃ нанокомпозита (15.9) из-за межфазной поляризации между слоями сополимера и наночастиц, как объяснено в разделе, посвященном многослойной диэлектрической пленке (рис. 4). Постепенно выходная трибоэлектрическая характеристика увеличивается по сравнению с однослойными пленками. Хотя нанокомпозиты из сегнетоэлектрических полимеров улучшают трибоэлектрические выходные характеристики из-за повышенной диэлектрической проницаемости за счет высокой сегнетоэлектрической поляризации, существует ограничение в увеличении выходных характеристик из-за порога перколяции добавок.

Трибоэлектрические характеристики, улучшенные за счет диполярной поляризации в сегнетоэлектрических композитах PVDF: a Трибоэлектрический наногенератор на основе композита PVDF – AgNW и нейлоновых нановолокон, полученных методами электроспиннинга (Воспроизведено с разрешения [37]. Copyright 2018 Wiley – VCH). б Трибоэлектрический наногенератор на основе сегнетоэлектрического композитного материала (Воспроизведено с разрешения [38]. Copyright 2017 Wiley – VCH). c Многослойный трибоэлектрический наногенератор на основе PVDF-TrFE / BTO (Воспроизведено с разрешения [57]. Авторское право Американского химического общества, 2020 г.)

С другой стороны, дипольный момент можно изменить, введя полярные одиночные молекулы [58], такие как –CN, –NO ₂ , и –SO ₂ - или полярные полимеры [59,60,61], включая полистирол, поли (2-гидроксиэтилметакрилат) и поли (дофаминметакриламид), которые позволяют вращать диполи в свободном объеме полимеров, тем самым приводя к улучшению диэлектрическая проницаемость. Диполярная поляризация недавно была использована для увеличения диэлектрической проницаемости трибоэлектрических материалов путем присоединения полярных групп с большими дипольными моментами к боковой цепи полимеров [22]; Ли и др. продемонстрировали, что привитой сополимер ПВДФ значительно увеличил трибоэлектрические выходные характеристики (рис. 7). Поли (трет-бутилакрилат) (PtBA) с различными степенями прививки был введен в цепь PVDF, что привело к усилению дипольного момента за счет π-связывания и полярных сложноэфирных групп в PtBA, что улучшило диэлектрическую постоянную и, как следствие, трибоэлектрические выходные характеристики. Помимо привитого полимера, полимерные диэлектрики с наноструктурированными доменами увеличивают диэлектрическую проницаемость за счет дипольной ориентационной поляризуемости [62]. Although polymer-based dielectric materials have some advantages, such as solution processability and flexibility, few studies wherein such a polarization in triboelectric devices is employed have been reported so far.

Triboelectric performances enhanced by dipolar polarization in PVDF-graft copolymer:PVDF-grafting polymer-based triboelectric nanogenerator. а Dipole moments of bare PVDF and PVDF-g -PtBA and b their dielectric properties and triboelectric performances (Reproduced under the terms of the CC-BY-NC 4.0 license. Ref. [22]. Copyright 2017, The American Association for the Advancement of Science)

Conclusions and Outlooks

Self-powered wearable and implantable electronic devices are essential, especially since the development of Internet-of-Things (IoT) technology. Since the triboelectric effect is one of the most frequently experienced phenomena in everyday life, triboelectric devices are a promising energy harvester for self-powered wearable devices combined with other types of applications. In the development of the IoT industry, electronic devices require miniaturization and multifunctionality, which need high output performances. Although triboelectric devices with high output performances have been developed by employing device structures with combined working modes [63,64,65], it is necessary to enhance the output performance for multiple devices.

Until now, research has been focused on the development of triboelectric pair materials (usually negative triboelectric materials), whereas dielectric tribo-materials have rarely been investigated. As dielectric materials have the potential to enhance triboelectric performances according to the relationship between the surface charge density and dielectric constant, the invention of triboelectric materials based on various polarization mechanisms enables the development of high-powered wearable devices, which can be achieved as follows:

1. 1.

   Because a variety of high-k dielectric materials have been synthesized by controlling the structural factor [66] or chemical doping [67, 68], there are several candidates to increase the dielectric constant of polymer composites. Moreover, the surface modification of dielectric nanomaterials for homogeneous dispersion in the polymer matrix [69, 70] and the control of the dielectric structure (e.g., heterostructured multilayer composites [30, 31, 71, 72] or dielectric composites with aligned conductive materials [73, 74]) have been investigated to increase dielectric properties. However, few approaches have been utilized in triboelectric devices to enhance the output performance. The high compatibility or alignment of additives in the polymer matrix will enable an increase in the interfacial area or reduce the leakage current, which leads to the enhancement of the dielectric constant and the resultant output performance.

2. 2.

   In addition to dielectric polymer nanocomposites, modifying polymer chain structures can enhance the dielectric properties because of the dipolar polarization through the improved dipole moments. Until now, polymeric materials with high dielectric constants have been synthesized by grafting polarizable components [58, 60] or by engineering nanostructures [61, 62, 75, 76], which increases the dielectric constant by dipolar polarization. Polymer-based dielectric materials are good candidates for use as triboelectric materials because of their physical properties, such as flexibility and solution-processability, which facilitate the development of printable triboelectric devices for next-generation wearable applications.

3. 3.

   In addition to dielectric polarization, an electric poling process that can induce dipole realignment under a strong electric field can be another approach to improve the dielectric constant, which subsequently enables the enhancement of triboelectric performances [77,78,79,80]. Recently, self-poling methods have been applied to considerably improve ferroelectric properties via the shear-induced process [81] in piezoelectric generators, although the output performance remains lower than that of the triboelectric generators. The mechanism, combined with dielectric polarization and self-poling in dielectric composites, can be a synergistic effect to significantly improve the dielectric constant, leading to a remarkable enhancement of triboelectric performances.

4. 4.

   Most studies have focused on negative triboelectric materials. Because triboelectric performance arises from the contact electrification between the positive and negative triboelectric layers, the positive triboelectric materials are an important factor toward enhancing output performances. Polarization-induced triboelectric pair materials can promote the development of triboelectric devices with significantly enhanced output performances, which facilitates practical applications requiring high-output power, such as smart wearable devices and portable IoT devices.

Доступность данных и материалов

Не применимо.

Сокращения

EDL:

Electric double layer

PDMS:

Полидиметилсилоксан

ПЭТ:

Полиэтилентерефталат

PtBA:

Poly(tert-butyl acrylate)

PTF:

Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate)

PVA:

Поли (виниловый спирт)

PVDF:

Поливинилиденфторид

SPE:

Solid polymer electrolyte