研究背景

摩擦納米發電機（triboelectric nanogenerators，TENGs）已被證明在物聯網領域的能量收集和傳感方面具有廣闊的潛力，可用于低功耗電子設備的供電或構成自供電傳感器。作為四種基本工作模式中最通用的一種之一，滑動式TENG（S-TENG）因其材料來源廣泛、制造簡單、成本低、結構獨特便于封裝等優點而引起了廣泛關注。然而，滑動式TENG的主要問題是上下部分接觸壓力不足導致輸出性能不高、靈敏度不理想等。基于滑動式TENG的輸出特性理論，關于提高輸出性能的研究已經被廣泛報道。并且有文獻報道了機械結構（如接觸面積和薄膜厚度）和外部激勵（如觸發頻率和位移距離）對不同模式下TENG的輸出功率、匹配阻抗和能量轉換效率有顯著影響。然而，由于外力對電性能輸出的模糊影響，很少有研究報道外力對滑動式TENG的機電耦合影響。

成果簡介

近日，上海大學李忠杰副研究員課題組、上海大學彭艷教授、上海大學張泉副教授和重慶大學郭恒宇教授、胡成果教授團隊合作，在國際著名期刊《Advanced Functional Materials》上發表題為“Mechano-triboelectric Transduction of Sliding-mode Nanogenerators with Magnetic Pre-stress”的研究論文。上海大學博士生章欽為該論文第一作者，上海大學李忠杰副研究員、張泉副教授和重慶大學郭恒宇教授為通訊作者。

圖文導讀

圖1. 實驗平臺和工作原理。（a）實驗平臺和MS-TENG的示意圖。（b）MS-TENG完整滑動過程的四種代表性狀態。

圖2. MS-TENG的受力分析和機電特性示意圖（圖2b-g的x軸標簽“distance”表示圖2a中運動部件B的滑動距離x）。（a）MS-TENG滑動過程中的力分析示意圖（x是運動部件B的滑動距離）。不同柔性磁鐵（b）M1、（c）M2和（d）M3下的MS-TENG在不同滑動距離下的理論磁力和磁預緊力系數。（e）在不同滑動距離下，具有不同剩余磁通密度的柔性磁鐵（磁鐵M1、M2和M3）的MS-TENG的實際測量磁力和理論計算磁力的比較。（f）當考慮摩擦力和靜電力時，理論上MS-TENG的力-滑動距離關系。

圖3. MS-TENG的原理圖和等效電路模型：（a）原理圖，（b）內部等效電路節點模型，以及（c）帶負載電阻的等效電路模型。

圖4. MS-TENG的理論電性能輸出。（a）磁鐵M1下的MS-TENG在2Hz頻率下的一個完整循環期間的理論開路電壓。（b）MS-TENG在不同頻率不同磁力作用下的理論開路電壓。（c）磁鐵M1下的MS-TENG在不同頻率下的理論阻抗匹配。插圖詳細顯示了最佳阻抗匹配電阻值。（d）MS-TENG在不同頻率不同磁力下的理論阻抗匹配。MS-TENG在各種負載電阻下的理論（e）功率-時間和（f）能量-時間關系。

圖5. MS-TENG的實驗開路電壓及其與理論開路電壓的比較。磁鐵（a）M1、（b）M2和（c）M3下的MS-TENG在不同頻率下的實驗開路電壓。（d）磁鐵M1下的MS-TENG在2Hz頻率下的完整循環期間的實驗開路電壓波形。（e）磁鐵M1下的MS-TENG在2Hz頻率下的正向階段（從State 1到State 3）期間的實驗開路電壓波形。（f）MS-TENG的理論開路電壓和實驗開路電壓的比較。

圖6. MS-TENG的理論和實驗輸出功率性能以及阻抗匹配。不同磁鐵（a）M1、（b）M2和（c）M3下的MS-TENG在不同頻率下的實驗阻抗匹配。（d）理論和實驗最優負載電阻的比較。（e）理論和實驗瞬時峰值功率的比較。誤差棒，平均值±SD（標準偏差），樣本量n=3。

圖7. MS-TENG在不同負載電阻下的理論和實驗結果的比較：（a）功率-時間關系和（b）能量-時間關系。（對于頻率為2Hz的磁鐵M1下的MS-TENG最佳阻抗匹配電阻值的理論計算結果為9.64MΩ，而實驗結果為10MΩ。）

全文總結

這項工作提出了一種在滑動式TENG中外加柔性磁鐵層的新策略（magnetically stresses TENG, MS-TENG），以從理論和實驗角度研究磁預緊力引起的機電耦合效應。通過引入磁預緊力系數，從理論上研究了MS-TENG的機電特性。考慮磁預緊力、負載電阻和滑動頻率對MS-TENG在低滑動速度下的影響，通過等效電路模型推導了MS-TENG的輸出性能，包括開路電壓、輸出功率和能量。在此基礎上，通過相應的實驗研究了所制備的MS-TENG的輸出性能與磁預緊力或負載電阻或滑動頻率之間的關系，驗證了理論結果。實驗結果與理論計算結果吻合較好，有效地揭示了磁預緊力在MS-TENG上的作用原理，說明了磁預緊力在MS-TENG上的輸出性能與滑動頻率、負載阻抗等其他激勵之間的關系。本工作旨在提供一個理論描述和實驗驗證外部預緊力對滑動式TENG性能增強的影響。

審核編輯：劉清