中科院北京奈米能源與系統研究所楊亞研究員:深耕複合與耦合奈米發電機

近年來,由於鐵電材料具有特殊的光伏特性,能將光能直接轉換為電能,故此引起了科學家的廣泛關注。出於提高鐵電光伏器件的量子效率以及填充因子等原因,近年來業內展開了不少研究,並主要集中在能帶工程和電極工程上。

然而,在鐵電材料多功能的應用上,相關研究還很少。實現鐵電光伏特性與其他功能特性的耦合具有重要意義,鐵材料中各種物理性質的相互作用也應得到關注。

鐵電材料的光伏與其他物理特性耦合的意義

中科院北京奈米能源與系統研究所楊亞研究員,曾在《壓電-熱電-光電耦合增強鈦酸鋇材料的電荷量》(Piezo–pyro–photoelectric effects induced coupling enhancement of charge quantity in BaTiO3 materials for simultaneously scavenging light and vibration energies)這項研究中,重點研究了壓電和光伏的耦合增強效應,相關論文發表在Energy & Environmental Science上[1]。

該論文報道了透過壓電-熱電-光電耦合效應,他實現了電荷量的耦合增強,為微納能源和自供電感測器系統的潛在應用帶來了巨大前景,並藉此研究了在不同工作條件下,光伏效能的影響因素、以及鈦酸鋇中壓電和光伏效應的相互作用。

當使用鐵電材料的光伏特性收集光能,用壓電效應收集風能,同時進行光照和吹風時,所產生的電荷量遠遠大於兩者之間的加和。具體來說,耦合在一起產生的電荷量遠大於兩者分別產生的電荷量加和,這種現象就叫耦合增強效應,此外,耦合增強效應中還存在一些新的物理機制。他觀察到,鐵電光伏效能的調控與鈦酸鋇的壓電係數直接相關,這種材料的壓電係數會隨著器件溫度降低而增加。透過同時施加振動和風,可觀察到該器件的溫度下降,從而獲得最佳的充電效能。比如,一個4。7μF 的電容可以在 20 秒內很容易地充電到 0。44 V。

此外,隨著自供電感測器的快速發展,對從周圍環境產生清潔能源提出了需求。由於鐵電光伏器件可以產生其本身帶隙以上的光伏電壓,可直接將光能轉換為電能的能力,也吸引了科學家們的目光。迄今為止,許多鐵電體包括 Pb(Zr、Ti)O3(PZT)、BiFeO3(BFO)和 BaTiO3(BTO)等材料已被用作鐵電光伏器件,在能量捕獲、計算儲存器和光機械器件等領域具有很大的實際應用前景。

深耕複合與耦合奈米發電機

在耦合奈米發電機方面,楊亞研究員的研究成果在國際上也具有大的影響力。2020年,他出版了一本有關複合與耦合奈米發電機的書,書名叫《複合與耦合奈米發電機:設計、效能與應用》[2],由全球歷史最悠久的學術出版商之一 Wiley 出版。圍繞複合與耦合奈米發電機,該書介紹了最近十年在複合與耦合奈米發電機方面的詳細發展歷程,以及對於未來發展方向的預測。

中科院北京奈米能源與系統研究所楊亞研究員:深耕複合與耦合奈米發電機

圖 | 《複合與耦合奈米發電機:設計、效能與應用》[2]封面 (來源:楊亞)

複合奈米發電機的原理是,透過整合機械能、光能和熱能發電器件,把幾種不同發電機整合在一個系統裡,去研究它們的輸出效能和電源管理,從而實現對外輸出穩定直流發電的作用。

最近幾年,楊亞研究員提出並開展了關於耦合奈米發電機方面研究,這種裝置不再是簡單的系統整合,而是轉向從材料角度去做耦合發電。研究中,他要尋找既能收集光能、又能收集熱能和機械能的材料。其好處在於,一方面可大大降低材料的製造成本;另一方面,可做出較高的陣列化畫素,從而提高基於奈米發電機的自驅動多功能感測解析度。同時,其中也會出現新的耦合物理機制。

在做熱電和光電時,楊亞研究員發現如果同時施加光照和製冷,兩者之間會有相互影響,併產生 1+1>2 的效果即耦合增強。通常把兩個物理量放在一起,大多數情況都是耦合削弱,原因在於其中涉及到兩個物理量的內阻不匹配問題。但是,楊亞研究員帶領的團隊首次在這項工作中發現了耦合增強效應,這個是每個人所希望但是很難做出來的。

這項工作向鐵電光伏效能的高效調控邁出了重要的一步,這為鐵電材料在微納能源和自驅動感測器的潛在應用帶來了巨大的前景。下一步,楊亞研究員帶領的團隊仍會繼續研究和發展複合與耦合奈米發電機,先是弄清楚相關的物理機制,然後發展一些關於複合與耦合奈米發電機的新的應用,再就是結合奈米發電機和感測器,做一些交叉性工作。前幾年他帶領的團隊做了大量關於複合奈米發電機的工作,儘管在材料上無需花費過多精力,但是需要不斷最佳化器件,以獲得最好的輸出效能。後面慢慢轉向耦合奈米發電機,耦合奈米發電機的難度要求高,首先要進行材料設計,然後將設計好的材料用於做器件,然後才能測試器件效能,以及研究在特定場景的應用。

耦合奈米發電機可以用來實現光電流極性調控,楊亞研究員發表在Nature Electronics的論文[3]進行了詳細的描述,透過兩種物理效應(比如光電和熱電)結合光波長可以用來實現光電流極性的翻轉,在不同的光波長下展現出正和負的電流訊號。耦合奈米發電機的另外一個主要應用場景就是多功能觸覺感測器。楊亞研究員正進行多功能觸覺感測器相關的專案,所基於的前期技術來自此前他在Science Advances 發表的論文[4]。在那篇論文中,他提出一種多功能感測器。

楊亞研究員表示,多功能觸覺感測器是機器人發展的核心關鍵零部件,也目前是中國亟需攻克的卡脖子技術難題之一。傳統觸覺感測器只能實現單一感測功能,比如只能感測溫度或者壓力。而多功能觸覺感測器既能感測溫度、又能感測壓力,還可進行材料識別,未來智慧機器人方面有巨大的應用前景。當機器手觸控物體時,觸控行為就會產生電訊號。透過對該訊號的採集,就能知道這是什麼材料。比如,觸控到一個杯子馬上就知道它是杯子,觸控到人的面板馬上就知道這是人的面板。

鑑於楊亞研究員在複合與耦合奈米發電機方面做出的創新研究成果,2021 年他獲得了 Nano Energy 獎。獲獎理由為:“Professor Ya Yang was selected for achieving significant progress in hybridized and coupled nanogenerators for realizing the multi-energy scavenging and multi-functional sensing applications。 ” 楊亞研究員在複合與耦合奈米發電機用於多能收集和多功能感測方面做出了創新研究成果。

中科院北京奈米能源與系統研究所楊亞研究員:深耕複合與耦合奈米發電機

圖 | 王中林院士(左)頒發 2021 年 Nano Energy 獎給楊亞研究員(右)(來源:楊亞)

楊亞研究員師從王中林院士和張躍院士,他的研究聚焦在基於鐵電材料的奈米發電機和自驅動感測器系統,他出版了 1 本書和 200 餘篇 SCI 論文,發表在Nature Electronics、Nature Communications、Science Advances等雜誌上,其中發表的論文被引用 14000 多次,H 指數為 74。研究結果被各類著名國際學術期刊或媒體如Nature Photonics、AAAS、Cell Press、The Guardian等作為亮點報道。擔任Nanoenergy Advances主編,InfoMat、Nano-Micro Letters、SmartMat、Nanoscale、iScience、Scientific Reports、Nanomaterials、Nanoscale Advances和Energies雜誌編委委員,Research、iScience、Nanomaterials和Energies雜誌Guest Editor,以及Nature、Nature Electronics、Nature Communications和Science Advances等期刊審稿人。他的研究興趣包括鐵電材料與器件、複合與耦合奈米發電機以及自供電感測器。

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支援:熊嶽城、李傳福

參考:

1。Yun Ji, Kewei Zhang, Zhong Lin Wang*, and Ya Yang*。 Piezo-pyro-photoelectric effects induced coupling enhancement of charge quantity in BaTiO3 materials for simultaneously scavenging light and vibration energies,Energy & Environmental Science, 2019, 12, 1231-1240。

2。Ya Yang*。 Hybridized and Coupled Nanogenerators。 Design, Performance and Applications, 373 pages, 117497 words, Print ISBN: 9783527346349, Online ISBN: 9783527346332, DOI:10。1002/9783527346332, Publisher : Wiley-VCH, 2020。

3。Ya Yang*。 Controlling photocurrent direction with light,Nature Electronics,2021, 4, 631-632。

4。Yang Wang, Heting Wu, Lin Xu, Hainan Zhang, Ya Yang*, and Zhong Lin Wang*。 Hierarchically patterned self-powered sensors for multifunctional tactile sensing,Science Advances, 2020, 6, eabb9083。

中科院北京奈米能源與系統研究所楊亞研究員:深耕複合與耦合奈米發電機

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