摩擦起電現(xiàn)象有著2600多年的研究歷史，然而其發(fā)生機理目前依然沒有定論。2012年，佐治亞理工學(xué)院的王中林院士課題組利用摩擦起電現(xiàn)象，發(fā)明了摩擦納米發(fā)電機，實現(xiàn)機械能與電能之間的轉(zhuǎn)化。摩擦納米發(fā)電機在能源搜集以及自驅(qū)動系統(tǒng)等應(yīng)用中有明顯優(yōu)勢，引起了研究者的廣泛光柱，也使研究者重新燃起對摩擦起電這一古老科學(xué)問題的興趣。在摩擦起電機理研究中，一個最為核心的問題是如何判斷摩擦起電的載流子類型，即判斷摩擦起電是由電子轉(zhuǎn)移還是由離子轉(zhuǎn)移造成的。針對這個問題，王中林院士課題組在微觀和宏觀尺度，研究了摩擦電荷在不同溫度下的衰減行為，發(fā)現(xiàn)摩擦電荷的衰減符合熱電子發(fā)射規(guī)律，說明摩擦起電的載流子是電子。然而，聚合物材料在高溫下會發(fā)生變性，甚至融化，因此不能通過溫度效應(yīng)來驗證其表面的載流子類型。聚合物作為摩擦納米發(fā)電機中的常用材料，設(shè)計新的方法來判斷聚合物材料表面的摩擦電荷載流子類型尤為重要。事實上，除了熱以外，光也能夠激發(fā)材料表面電子，即電子吸收入射光子的能量，而逃離材料表面，也就是光電效應(yīng)。如果材料表面的摩擦電荷是電子，那么在光照下摩擦電荷應(yīng)當會衰減，并且衰減規(guī)律符合光電發(fā)射理論。
近日，在中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學(xué)家，佐治亞理工學(xué)院校董教授王中林院士的指導(dǎo)下，林世權(quán)博士等人研究了光照對材料表面摩擦電荷衰減的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在紫外光的照射下，SiO2，PVC以及PMMA表面摩擦電荷會迅速衰減。入射光的波長越短，光強越強，材料表面摩擦電荷衰減速率越快。當光的波長大于某個臨界值時，光照無法誘導(dǎo)材料表面摩擦電荷的衰減，并且不同材料所對應(yīng)的波長臨界值各不相同。這些實驗現(xiàn)象都符合光電子發(fā)射理論。在光電發(fā)射理論中，光的強度越大，光子數(shù)量越多，被激發(fā)出材料表面的電子數(shù)就越多，摩擦電荷衰減速率越快；光的波長越短，光子能量越大，激發(fā)電子的概率越大，摩擦電荷衰減速率越快。當光的波長大于一定值時，光子能量不足以激發(fā)陷在材料表面能態(tài)中的電子，無法使摩擦電荷衰減。根據(jù)摩擦電荷在光照下的衰減規(guī)律，該研究基于Spicer光電發(fā)射理論，首次提出了針對絕緣體表面摩擦電子的光電發(fā)射模型。該項研究在熱電子發(fā)射之后，又提出一個摩擦起電中電子轉(zhuǎn)移的強有力證據(jù)。此外，根據(jù)材料表面摩擦電子對入射光響應(yīng)的特點，該研究提出了利用摩擦起電中光電發(fā)射以及摩擦發(fā)光等現(xiàn)象進行材料電子結(jié)構(gòu)表征的新思路。
圖1. 摩擦起電中的光電子發(fā)射。（a）光照電子發(fā)射實驗示意圖。（b）摩擦電子光電發(fā)射能帶示意圖。（c）200 nm~2500 nm混合光源照射下SiO2表面摩擦電荷密度隨時間的變化。（d）400 nm~2500 nm混合光源照射下SiO2表面摩擦電荷密度隨時間的變化。
相關(guān)成果以“Electron Transfer in Nanoscale Contact Electrification: Photon Excitation Effect”為題發(fā)表在近期的Advanced Materials上。（DOI:10.1002/adma.201901418）
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