中科院海洋研究所，最新Nature系列综述：摩擦纳米发电机与场效应晶体管！
2025-07-16 11:17:47
作者：本网发布 来源：高分子科学前沿
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物联网 (IoT) 基础设施的实际部署面临着巨大的能源需求。为了应对这一需求，摩擦纳米发电机和场效应晶体管 (FET) 催生了摩擦电子晶体管和液滴发电机 (DEG)。前者通过将机械刺激转化为摩擦电势来实现主动机械感知，后者则通过受 FET 启发的架构的体效应来提高雨滴能量收集的效率。鉴于此，中科院海洋研究所王鹏研究员探讨了摩擦电子晶体管和 DEG 的工作机制和设计原理，并重点介绍了它们无缝集成到全球物联网网络所必须克服的关键科学和技术挑战。他们重点介绍了用于物联网数据收集、存储和处理以及近乎永久的物联网网络中环境能量收集的先进设备的开发，以促进触觉传感器、人工突触、能量收集器和自供电传感器等物联网应用的进步。最后讨论了需要进一步研究的关键领域，包括理解基本机制、优化系统设计以及解决摩擦电子晶体管和 DEG 在大型物联网网络和自供电传感器中的应用所面临的实际挑战。相关论文以题为“Mutual promotion of triboelectric nanogenerators and field-effect transistors towards the IoT”发表在最新一期《Nature Reviews Electrical Engineering》上。物联网在智慧城市、医疗、农业与家庭中的愿景，受制于数十亿节点持续采集、存储和处理数据的能耗压力。TENG 可将触碰、振动、风或雨滴等普遍机械刺激转为电能，而低功耗 FET 则能减少数据处理能量需求。关键在于：当摩擦电荷直接加至 FET 栅极时，机械位移本身即可调制沟道导电，无需外部栅驱动；另一方面，把 FET 视作电极模板又启发了新型 TENG 几何结构，进一步提高电荷收集效率。两者互补，可同时解决物联网的“供能”与“节能”难题。作者将两条曾经独立的研究路线——摩擦电纳米发电机（TENG）与场效应晶体管（FET）——定位为可持续、无处不在的物联网（IoT）之互补基元（图1）。作者指出，预计到2030年物联网终端将超过320亿个，若仍依赖传统电池和电网，耗电的传感器、存储与无线单元将不堪重负。TENG 能把日常机械能量转为电能，而先进 FET 能显著降低运算与存储功耗；当将 TENG 产生的高压耦合到 FET 栅极时，机械事件便可直接调控载流子传输，形成自供能逻辑与感测。反之，以 FET 为灵感的电极布局又催生了能高效收集雨滴能量的“类晶体管”TENG。综述围绕“摩擦电子学晶体管”用于主动机械感知，以及“晶体管式 TENG”用于环境能量采集这两大主题展开。图 1. 摩擦纳米发电机与场效应晶体管相互促进，共同推进物联网发展首先是摩擦电子学晶体管基础（图2），摩擦电子学晶体管结合了 TENG 的摩擦层与电极，以及 FET 的源/漏/栅绝缘层与半导体沟道。在最早的接触起电 FET（CEFET）中，Kapton 薄膜周期性接触 Al 栅极；分离后形成表面电荷，产生的摩擦电势 Vtribo作用于栅介质，调控沟道电流 IDS。Vtribo表面电荷密度、间隙距离及介电常数变化，可用经典 MOSFET 方程描述。设计要素主要分为三大类：（1）TENG 侧：材料——如等离子蚀刻 PTFE 具高负电性；纳米结构增强粗糙度与介电率。工作模式——接触分离模式适合垂直按压；滑动模式支持面内位移但磨损大；单电极模式封装简单但输出较低。（2）FET 侧：半导体——从 Si、IGZO 到柔性有机（P3HT、并五苯）及二维材料（石墨烯、MoS₂、InSe）。高迁移率与低阈值可扩大开关窗口并降低功耗。（3）集成方式：垂直堆叠 电荷耦合最强，但需精密对准；平面并置 制程简单，却引入附加电阻稀释电势。关于典型物联网器件（图3），则可以分为：触觉传感器：InSe 摩擦电子学晶体管在 0.1V 漏极偏压下实现 10⁶ 的开关比和毫秒级响应，能量仅皮至飞焦耳。阵列已达 10×10 像素，向高分辨率电子皮肤迈进。非易失触碰存储器：浮栅俘获摩擦注入电荷，可在无电源下保持 >6000s；石墨烯/hBN/MoS₂ 堆栈记忆窗口达 60V。人工突触：控制浮栅电荷衰减模拟短/长时程可塑性，实现约 165aJ 每脉冲的体内计算。图 3. 典型的基于摩擦电子晶体管的物联网设备的表示作者从DEG 架构与机理两个方面阐述了用于雨滴能量收集的类晶体管 TENG（图4）。雨滴发电机（DEG）将 TENG 重新构想为三端“液体栅”晶体管：PTFE 介质（栅）覆于 ITO 底电极（源），雨滴展开时在水/介质界面形成电双层；顶部悬浮电极（漏）接触液面完成回路，液滴极化驱动外部负载电流。单滴峰值功率密度达 50.1Wm⁻²。设计策略主要分为：介质层：超疏水高负电材料（仿荷叶纹理）增强电荷，植入肖特基二极管可直接输出直流，高压可超 1kV。顶部电极：最佳垂直间隙约 0mm，电极应接触最大扩展雨滴的边缘。多层/共面布局：降低寄生电容，便于模块化装配；高熵陶瓷介层将单滴电压推至 525V。面向物联网的应用则可以是（1）环境能量收集：DEG 模块可像光伏板一样铺设，但需解决大面积布线、整流损耗与机械耐久。与振动模式 TENG 叠层可提升约 30% 的能量输出；与太阳电池共享电极能打造“全天候”混合板。（2）自供能传感：雨滴接触产生高信噪尖峰电流，用于微流控或管道流量监测；功能化电极还能检测细菌，最低可至 4.5×10³CFUmL⁻¹。本文主要从基础机制、器件设计、物联网应用进行了分析总结：固-固与液-固接触的原子级电荷转移机理及其与新兴半导体载流子输运的耦合尚待定量化，需要更精细的流体 电荷耦合模型。未来介质层应兼具高介电、高负电性、可拉伸与可回收；半导体需平衡迁移率与机械柔性；电极则要求耐腐蚀、透明且柔软。可用机器学习从原子力显微测得的黏附与摩电系数数据库中筛选最佳组合。摩擦电子学触觉传感仍受大应变线性度及高分辨率扩展限制；DEG 的高压/低流间歇输出给功率管理带来挑战。需材料、电子学和神经形态计算跨学科协作。总而言之，TENG 与 FET 的互促协同已从实验室巧妙耦合发展为支撑下一代自供能智能物联网硬件的广泛平台。摩擦电子学晶体管可将机械刺激直接转化为计算与存储，而类晶体管 TENG 则把环境运动和降水重新定义为高密度电能来源。若能在界面物理、材料集成与系统工程层面继续突破，这些概念将加速从原型走向未来数万亿物联网边缘节点的实际部署。
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