隨著技術(shù)的進(jìn)步，為其提供動(dòng)力的技術(shù)也在進(jìn)步。多年來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多能量產(chǎn)生、能量存儲(chǔ)和能量收集設(shè)備，以多種方式為大型電子系統(tǒng)和單個(gè)電子設(shè)備供電。隨著社會(huì)朝著工業(yè) 4.0 和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的方向發(fā)展，有機(jī)會(huì)創(chuàng)造多種類型的超小型設(shè)備，這些設(shè)備可用于自動(dòng)化和遠(yuǎn)程監(jiān)控以及遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用。

為小型設(shè)備供電——尤其是在遠(yuǎn)程應(yīng)用中——需要非常規(guī)的自供電機(jī)制才能自給自足。近年來(lái)，許多不同的小型能量收集器（稱為納米發(fā)電機(jī)）引起了人們對(duì)為醫(yī)療、遠(yuǎn)程監(jiān)控和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的小型設(shè)備供電的興趣。這些設(shè)備的小尺寸意味著它們對(duì)于它們供電的小型設(shè)備來(lái)說(shuō)不會(huì)太笨重。盡管它們體積小，但它們?nèi)匀豢梢詾樵S多設(shè)備提供足夠的電力，以便使用它們的自然操作環(huán)境進(jìn)行自充電。在某些情況下，也可能使用納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行大規(guī)模收集——如果許多單獨(dú)的設(shè)備被集成到一個(gè)單一的收集系統(tǒng)中——然而，從廣泛的研究角度來(lái)看，這還沒(méi)有被研究過(guò)。

雖然有許多不同的納米發(fā)電機(jī)，但它們都用于不同的操作環(huán)境，因?yàn)殡姾傻漠a(chǎn)生通常受周圍環(huán)境刺激的控制。一種更有前途、被廣泛討論和廣泛研究的納米發(fā)電機(jī)是壓電納米發(fā)電機(jī)——通常簡(jiǎn)稱為 PENG。

使用壓電效應(yīng)

PENG 利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷。壓電效應(yīng)是指在材料上施加應(yīng)力/負(fù)載時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷。壓電效應(yīng)是一種可逆效應(yīng)，因此一旦消除應(yīng)力，電荷就會(huì)停止。這也意味著壓電效應(yīng)可以在另一個(gè)方向發(fā)揮作用，在該方向上可以向材料施加電壓，導(dǎo)致材料的原子結(jié)構(gòu)變形并產(chǎn)生應(yīng)力。

就具體機(jī)制而言，正是離子在原子水平上——在固態(tài)晶格內(nèi)——的重排產(chǎn)生了壓電性。大多數(shù)壓電材料在本質(zhì)上是無(wú)機(jī)的，如果不是，則它們具有某種形式的晶體結(jié)構(gòu)（無(wú)機(jī)材料也具有這種結(jié)構(gòu)）。這意味著（大部分）壓電在其原子晶格中具有規(guī)則且重復(fù)排列的有序陽(yáng)離子和陰離子。正是這種規(guī)則圖案晶格中離子的變形產(chǎn)生了電荷。雖然材料保持整體中性電荷 - 材料的整體電荷不會(huì)改變，只有原子水平的局部電荷分布發(fā)生變化。

因此，當(dāng)向壓電材料施加應(yīng)力/負(fù)載時(shí)，帶相反電荷的離子從它們?cè)诰Ц駜?nèi)的原始位置移動(dòng)到它們彼此更靠近的點(diǎn)。這種重排改變了晶格內(nèi)的電荷平衡并產(chǎn)生了外部電場(chǎng)。電荷不平衡的影響也滲透到整個(gè)材料中。結(jié)果是在晶體的一個(gè)外表面上出現(xiàn)凈電荷（正電荷或負(fù)電荷）。這隨后會(huì)在帶相反電荷的晶面上產(chǎn)生電壓。可以利用壓電電荷，但是當(dāng)應(yīng)力刺激被移除時(shí)，晶格恢復(fù)到其自然狀態(tài)并且電壓停止。

在某些情況下——例如可穿戴電子設(shè)備中肢體的運(yùn)動(dòng)、植入式電子設(shè)備中內(nèi)臟器官的運(yùn)動(dòng)，或遙感/監(jiān)測(cè)應(yīng)用中局部周圍環(huán)境的運(yùn)動(dòng)，僅舉幾例——運(yùn)動(dòng)會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)中產(chǎn)生壓力然后可以利用原子尺度的壓電材料。

在許多使用 PENG 的情況下，可以利用感應(yīng)應(yīng)力和由此產(chǎn)生的電荷來(lái)為其所連接的小型設(shè)備供電。然而，在某些情況下——主要是傳感——納米發(fā)電機(jī)可以同時(shí)充當(dāng)供電設(shè)備和傳感設(shè)備，因?yàn)殡姾傻漠a(chǎn)生可以作為傳感器在承重/壓力傳感情況下的可用和可檢測(cè)輸出.

為什么二維材料對(duì) PENG 能量收集器顯示出前景

出于多種原因，二維材料對(duì) PENG 能量收集器顯示出前景。首先，二維材料固有的薄和小尺寸使得能夠創(chuàng)建超小型收集設(shè)備，這些設(shè)備小到足以為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的非常小的節(jié)點(diǎn)供電，為遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用中的非常小的傳感器供電，并為小型植入式或可穿戴醫(yī)療設(shè)備。相比之下，體積較大的材料會(huì)創(chuàng)建對(duì)于這些類型的應(yīng)用而言太大且不可行的收集/電力系統(tǒng)。這就是為什么您經(jīng)常看到納米材料被吹捧用于可穿戴/植入式電子產(chǎn)品、物聯(lián)網(wǎng)和遙感應(yīng)用。

另一個(gè)方面是許多二維材料的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性。由于壓電效應(yīng)是由某種程度的機(jī)械變形引起的，因此產(chǎn)生電流的材料需要堅(jiān)固耐用并能夠承受許多彎曲循環(huán)。二維材料固有的薄度意味著它們具有非常高的柔韌性。雖然石墨烯具有最高的柔韌性，但無(wú)機(jī)材料與其體積較大的對(duì)應(yīng)物以及一般的其他無(wú)機(jī)材料相比具有相對(duì)較高的柔韌性。當(dāng)這種靈活性與高機(jī)械強(qiáng)度相結(jié)合時(shí)，這意味著二維材料可以承受很大的機(jī)械應(yīng)力，從而使 PENG 可以承受許多彎曲循環(huán)，進(jìn)而能夠產(chǎn)生更長(zhǎng)時(shí)間的電荷比使用其他材料時(shí)。

然后，還有表現(xiàn)出壓電特性的能力。傳統(tǒng)上，壓電特性存在于一系列無(wú)機(jī)材料中，包括天然和合成晶體材料、合成陶瓷、III-V 族和 II-VI 族半導(dǎo)體，以及各種金屬氧化物復(fù)合物。許多不同的二維材料也具有壓電特性，其中一些是半導(dǎo)體材料。就 PENG 感興趣的材料而言，目前有六方氮化硼 (h-BN)、各種半導(dǎo)體過(guò)渡金屬二硫族化物、III 族和 IV 族單硫族化物以及化學(xué)改性的石墨烯——因此它在本質(zhì)上更具半導(dǎo)體性，而不是完全導(dǎo)電因?yàn)樗匀粵](méi)有電子帶隙——是首選。

使用二維材料 PENG 需要注意的因素

雖然存在使用 2D 材料創(chuàng)建 PENG 的潛力，但它們與任何材料一樣，需要以正確的方式使用。在許多情況下，壓電性只出現(xiàn)在單層和少數(shù)層狀二維材料中。一旦超出這個(gè)范圍，產(chǎn)生的壓電水平就不足以為設(shè)備供電。隨著更多 2D 層的添加，這種減弱效應(yīng)歸因于應(yīng)變引起的晶格畸變以及隨之而來(lái)的晶體中的電荷極化。層數(shù)越多，二維材料的柔韌性越差，因此感應(yīng)應(yīng)變量越低，因此，晶體極化程度和產(chǎn)生的電荷就越低。

一些二維材料還發(fā)現(xiàn)了一些其他有趣的現(xiàn)象，稱為層依賴效應(yīng)。雖然它并不適用于所有二維材料，但影響二維材料壓電性能的不僅是層數(shù)，還有奇數(shù)層還是偶數(shù)層。這是因?yàn)椋谀承┣闆r下，奇數(shù)層具有壓電特性，但一旦層數(shù)變?yōu)榕紨?shù)，另一層就會(huì)平衡，從而導(dǎo)致壓阻特性。一旦添加另一層，這就會(huì)恢復(fù)壓電特性，依此類推，直到層變得太大而無(wú)法顯示壓電特性

盡管如此，盡管需要確保以正確的方式使用 2D 材料，但仍有幾種 2D 材料可以利用，包括一些體積較大的 3D 無(wú)機(jī)材料不顯示壓電特性的材料。現(xiàn)在也有很多方法可以在商業(yè)層面上創(chuàng)建單層和幾層二維材料，因此這些挑戰(zhàn)并不像幾年前那么嚴(yán)重。因此，在制造這些小型納米發(fā)電機(jī)時(shí)，有機(jī)會(huì)擺脫傳統(tǒng)的壓電材料。

結(jié)論

壓電效應(yīng)是一系列散裝無(wú)機(jī)材料中的常見(jiàn)現(xiàn)象，但也在一系列二維材料中觀察到。可產(chǎn)生壓電電荷的二維材料，可用于一系列 PENG，為小型設(shè)備供電。在 PENG 中使用二維材料有很多好處，包括高柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度，以及固有的薄度，而且 PENG 為遠(yuǎn)程應(yīng)用中的小規(guī)模能量收集提供了很大的潛力——無(wú)論是物聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控、或醫(yī)療應(yīng)用。

審核編輯黃昊宇