论文标题：Ferroelectric Materials Based Coupled Nanogenerators

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作者：Jabir Zamir Minhas, Md Al Mahadi Hasan and Ya Yang

发表时间：25 November 2021

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通讯作者介绍

杨亚 研究员

明升中国app院北京纳米能源与系统研究所

杨亚研究员的研究聚焦于基于铁电材料的纳米发电机和自驱动传感器系统，现已出版1本书，发表200余篇SCI论文，其中发表的论文被引用14000余次，H指数为74。研究结果被各类著名国际学术期刊或媒体作为亮点报道。担任主编，以及多个期刊编委委员或审稿人。他的研究兴趣包括铁电材料与器件、复合与耦合纳米发电机和自供电传感器。

研究背景

纳米发电机的发展促进了自供电设备、环境监控、能源转换、智能储能系统和无线网络的创新。纳米发电机从无处不在的环境机械能、热能和太阳能中获取能源成为了现代电子研究时代的热点。具有自发极化且极化强度可被外部电场调控的铁电材料，可对应变、热、光外部刺激做出响应，是构建纳米发电机的理想材料。

来自明升中国app院北京纳米能源与系统研究所的杨亚研究员团队回顾并系统总结了基于铁电材料的耦合纳米发电机，涵盖了热电、压电、摩擦电和铁电光伏效应。铁电材料的工作机制使多效应在独立的单个设备中可同时实现，这种多效应耦合纳米发电机可靠且用途广泛，有助于解决能源危机。此外，本文描绘了未来的发展方向和可能的应用领域。

图文导读

1. 纳米发电机里的铁电材料

铁电材料可以有效地收集能量，并由周围环境能量引起内部偶极矩或电位的变化。机械能、热能、太阳能等环境能源可以单独使用，也可以相互耦合发电，这常见于铁电材料及其相应的能量收集纳米发电机 (图1)。

图1. 基于铁电材料的多种效应纳米发电机。(a) 压电纳米发电机；(b) 热释电纳米发电机；(c) 摩擦电纳米发电机；(d) 铁电光伏纳米发电机。

BTO、PVDF等典型的铁电材料在压电纳米发电机中被广泛研究。压电纳米发电机的工作原理基于体积密度模型，即压缩材料时，铁电偶极子密度随着材料厚度的降低而增加，拉伸材料时偶极子密度随着材料厚度的增加而下降。

热释电纳米发电机包括三个主要层：金属顶层作为顶电极，旨在高效收集热量；中间层是热释电材料层，通过内部极化的变化促进热量转化为电力；第三层金属层是底部电极。

摩擦电纳米发电机通过摩擦材料表面极化产生电荷和静电感应耦合工作。静电感应通过电位变化驱动收集环境机械能到电能中。摩擦电层的周期性机械触发会产生交流输出。

铁电光伏效应是指铁电材料暴露在光下观察到的光伏响应，即光电压或光电流。铁电中的光伏现象与半导体pn结中观察到的传统光伏效应有显著不同。在铁电光伏效应中，内置场是由于剩余极化，贯穿于铁电材料，电荷分离没有带隙限制。因此，铁电中产生的光电位比其带隙大得多，这种现象就是铁电光伏效应。

2. 基于铁电材料的纳米发电机的器件结构和性能

卓越的输出设备性能总是寻求更好的设计和剪裁材料特性 (图2-5)。

图2. 压电纳米发电机 (PENGs) 的设备结构和性能。

图3. 热释电纳米发电机 (PyENGs) 的设备结构和性能。

图4. 摩擦纳米发电机 (TENGs) 的设备结构和性能。

图5. 多效应耦合纳米发电机的设备结构和性能。

3. 铁电纳米发电机的应用

纳米发电机技术促进了自供电微/纳米系统中大量先进现代设备的发展，包括压力传感器、触觉传感器、红外传感器、致动器、用于能量收集的灵活和可穿戴设备、医疗植入 (如生物传感器)、通过人机界面进行医疗保健监测、电明升手机系统 (如超级电容器和电池)、微小能量收集设备的电源等 (图6-7)。

图6. 基于铁电材料的多效应耦合纳米发电机的应用。

图7. 基于铁电材料的多效应耦合纳米发电机的应用。

参考文献

1. Minhas, J.Z.; Hasan, M.A.M.; Yang, Y. Ferroelectric Materials Based Coupled Nanogenerators. Nanoenergy Adv. 2021, 1, 131-180.

2. Yang, Y. Hybridized and Coupled Nanogenerators: Design, Performance, and Applications; Wiley-VCH GmbH: Weinheim, Germany, 2020.

原文出自期刊

Minhas, J.Z.; Hasan, M.A.M.; Yang, Y. Ferroelectric Materials Based Coupled Nanogenerators. Nanoenergy Adv. 2021, 1, 131-180.

期刊简介

主编：杨亚研究员，明升中国app院北京纳米能源与系统研究所

期刊发表内容涉及纳米能源各个方面的原始实验和理论研究，包括纳米材料和纳米技术在能源应用方面的app研究 (如能量收集、转换、存储和利用)。