接觸起電發現於古希臘時代. 它的發現雖然距今已有2600多年歷史, 但在其原理上仍存有很多爭論. 其中最重要的是, 在起電過程中, 電荷轉移是通過電子還是離子的轉移來實現以及為什麼產生的電荷可以長時間保留於材料表面. 金屬與金屬之間或是金屬與半導體之間的接觸起電, 通常認為是產生了電子轉移, 並可以通過功函或接觸電勢的不同來解釋. 而通過引入表面態的概念, 電子轉移理論也可以在一定程度上解釋金屬與絕緣體之間的接觸起電. 但是, 離子轉移也可以用來解釋接觸起電, 並且更適用於含有聚合物的起電體系, 例如其中的離子或官能團主導了起電現象的產生. 幾乎所有的與接觸起電有關的已有研究都集中在產生的電荷總量上, 而很少有關於表面靜電量變化的即時探測或與溫度相關的研究. 迄今為止, 仍未有一種令人信服的理論能夠用來揭示接觸起電的主導機制究竟是源於電子還是離子轉移.
中國科學院外籍院士, 中科院北京納米能源與系統研究所首席科學家王中林基於麥克斯韋位移電流原理提出的摩擦納米發電機 (Triboelectric nanogenerator, TENG) 技術, 可以精確地表徵表面電荷密度, 並可以實現不同溫度下的應用, 這為解決上述接觸起電中的難題提供了一種新思路. 近日, 王中林指導下, 副教授許程, 博士訾雲龍, 博士研究生王琦等通過設計的可以工作在高溫下的TENG, 實現了表面電荷密度/電荷量的即時與定量測量, 從而揭示了接觸起電過程中的電荷特性與根本機制. 該研究設計了不同種類的TENG, 並使TENG在運行過程中僅產生極少量的電荷, 因此可以忽略其自身所產生電荷的影響. 通過引入初始電荷, 研究TENG在不同溫度條件下表面電荷隨時間的演化特性, 實驗和類比結果顯示, 其較好的符合熱電子發射方程, 證實了兩種不同固體材料間的接觸起電主要源於電子轉移. 此外, 該研究還揭示了不同材料的表面有著不同的勢壘高度, 正是由於該勢壘的存在, 才使得接觸起電產生的電荷能夠貯存於表面而不致逃逸. 基於上述的電子發射主導的接觸起電機制, 該研究進一步提出了一種普適的電子云-勢阱模型, 首次實現了任何兩種傳統材料間接觸起電原理的統一解釋. 該研究提出的方法, 有利於更好地理解接觸起電效應, 同時為發展摩擦納米發電機在微納能源, 藍色能源, 自驅動感測, 人工智慧, 機器人和物理方面的應用提供了科學基礎.
相關研究成果發表在《先進材料》上.
(a)-(c), 兩種不同材料的原子的電子云和勢阱 (三維和二維圖) 在接觸起電前, 起電時和起電後的狀態; (d), 在較高溫度下的放電狀態.
