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中国矿大许程老师在Advanced Materials发表论文——接触起电效应中的电子转移机制(On the Electron-Transfer Mechanism in the Contact-Electrification Effect)

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。金属与金属之间或是金属与半导体之间的接触起电,通常认为是产生了电子转移,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。

近日,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高温下的摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogeneratorTENG),实现了表面电荷密度/电荷量的实时定量测量,从而揭示接触起电过程中的电荷特性与根本机制。实验中设计了不同种类TENG,并使TENG在运行过程中仅产生极少的电荷,因此可以忽略其自身产生电荷影响。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,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。

该研究成果发表在近期的Adv. Mater.上(DOI: 10.1002/adma.201706790。论文第一作者是我院许程副教授,受学校“优秀拔尖教师海外访问研究项目”资助,在美国佐治亚理工学院王中林院士(通讯作者)课题组进行访学研究。

A long debate on the charge identity and the associated mechanisms occurring in contact-electrification (CE) (or triboelectrification) has been persisted for many decades, while a conclusive model has not yet reached for explaining this phenomenon known for more than 2600 years! Here, the researchers report a new method to quantitatively investigate real-time charge transfer in CEviatriboelectric nanogenerator (TENG) as a function of temperature, which reveals that electron transfer is the dominant process for CE between two inorganic solids. A study on the surface charge density evolution with time at various high temperatures is consistent with the electron thermionic emission theory for triboelectric pairs composed of Ti-SiO2and Ti-Al2O3. Moreover, it is found that a potential barrier exists at the surface that prevents the charges generated by CE from flowing back to the solid where they were from or escaping from the surface after the contacting. This pinpoints to the main reason why the charges generated in CE are readily retained by the material as electrostatic charges for hours at room temperature. Furthermore, an electron cloud-potential well model is proposed based on the electron emission dominated charge transfer mechanism, which can be generally applied to explain all types of CE in conventional materials. This study may provide a new approach for understanding the CE known for thousands years.

(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。