微觀尺度摩擦起電中的電子轉移與溫度效應研究獲進展

　　摩擦起電現象是一個古老的科學問題，有兩百多年的研究歷史。由于摩擦起電引起的靜電擊穿會引起爆炸等災害，因此在很長一段時間里，摩擦起電被認為是一種負面現象。2012年，佐治亞理工學院王中林課題組將這個“負面現象”巧妙地應用在能源領域中，發明了摩擦發電機。由于摩擦發電機在能源搜集以及自驅動系統等應用中有明顯優勢，引起了研究者的廣泛關注，也使研究者重新燃起對摩擦起電這一現象的興趣。在目前的摩擦起電機理研究中，人們普遍認為金屬與金屬之間的電荷轉移是由金屬之間的功函數差導致的電子轉移引起的。但是，一旦涉及電介質的摩擦起電，電荷的載流子類型就存在爭議，一部分研究者認為在電介質表面態中電子是載流子。也有研究者認為電介質的摩擦起電是由吸附在電介質表面的離子轉移引起的。

　　近日，在王中林指導下，中國科學院北京納米能源與系統研究所林世權等人使用原子力顯微鏡（AFM）和開爾文探針力顯微鏡（KPFM）從微觀尺度研究了不同溫度下摩擦電荷的衰減行為以及溫度差對摩擦起電的影響。他們在原子力顯微鏡的peakforce tapping模式下使用鍍金探針在SiO2、Si3N4、AlN等樣品表面進行接觸產生電荷轉移，隨后在不同的溫度下觀察了樣品表面摩擦電荷密度隨時間的衰減規律，發現微觀下的摩擦電荷衰減與之前研究中宏觀尺度的衰減規律類似，都呈指數衰減，根據實驗結果，他們提出了一個修正的摩擦電荷熱電子發射模型。進一步，他們研究了當探針與樣品存在溫度差時兩者之間的摩擦起電行為，發現在摩擦起電中溫度升高會使固體更傾向于失去電子（帶正電），溫度降低會使固體更傾向于得到電子（帶負電）。根據費米-狄拉克方程，當金屬的溫度升高時，金屬中的電子跑到高能級的概率會增加，更傾向于離開金屬表面，因此當金屬與電介質接觸的時候更容易失去電子，使電介質獲得負電。相反的，當金屬的溫度降低時，金屬中的電子跑到高能級的概率降低，金屬與電介質接觸時更傾向于獲得電子，使與之接觸的電介質獲得正電。有一種特殊情況是，在溫度相同時，電介質與金屬接觸獲得正電。當金屬溫度升高到一定程度，而電介質溫度保持不變，金屬中的電子在溫度的作用下更傾向于轉移到電介質中，使電介質獲得負電，發生摩擦電荷轉移的極性反轉。這一研究驗證了王中林研究組之前提出的摩擦起電熱電子發射模型的正確性，為摩擦起電電子轉移理論提供了又一個強有力證據。

　　 相關成果以Electron Transfer in Nanoscale Contact Electrification: Effect of Temperature in the Metal-Dielectric Case 為題發表在近期的《先進材料》（Advanced Materials，DOI: 10.1002/adma.201808197）上。

微觀尺度摩擦起電中的電子轉移與溫度效應研究獲進展