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近日,中国矿业大学能源、材料与物理学部许程副教授在材料领域国际顶级期刊Advanced Materials上发表了题为《接触起电效应中的电子转移机制》(On the Electron-Transfer Mechanism in the Contact-Electrification Effect)(DOI: 10.1002/adma.201706790)的论文。

接触起电(摩擦起电)发现于古希腊时代,是一个古老和有趣的现象。虽然距今已有2600多年历史,但是有关接触起电的原理仍存有很多争论。其中最重要的是,在起电过程中,电荷转移是通过电子还是离子的转移来实现以及为什么产生的电荷可以长时间保留于材料表面。在之前的认知中,金属与金属之间或是金属与半导体之间的接触起电,被认为是接触物体之间产生了电子转移,并可以通过功函或接触电势的不同来解释。而通过引入表面态的概念,电子转移理论也可以在一定程度上解释金属与绝缘体之间的接触起电。但是,离子转移也可以用来解释接触起电,并且更适用于含有聚合物的起电体系,例如其中的离子或官能团主导了起电现象的产生。迄今为止,仍未有一种令人信服的理论能够用来揭示接触起电的主导机制究竟源于电子还是离子转移。

研究人员报道了一种实时及定量测量接触起电过程中电荷转移的新方法,解决了上述困扰人们数千年的难题。通过设计的可以工作在高温下的摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,TENG),实现了表面电荷密度/电荷量的实时与定量测量,从而揭示了接触起电过程中的电荷特性与根本机制。该实验通过引入初始电荷,研究TENG在不同温度条件下表面电荷随时间的演化特性,实验和模拟结果显示其较好的符合热电子发射方程,证实了两种不同固体材料间的接触起电主要源于电子转移。此外,该研究还揭示了不同材料的表面有着不同的势垒高度,正是由于该势垒的存在,才使得接触起电产生的电荷能够贮存于表面而不致逃逸。基于上述的电子发射主导的接触起电机制,该研究进一步提出了一种普适的电子云-势阱模型,首次实现了任意两种传统材料间接触起电原理的统一解释。

(a)-(c) 两种不同材料的原子的电子云和势阱(三维和二维图)在接触起电前、起电时和起电后的状态。(d) 在较高温度下的放电状态。

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