王中林院士团队2019年研究成果集锦
纳米人编辑部 纳米人 2020-01-12
纳米人编辑部对2019年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理,今天,我们要介绍的是中国科学院外籍院士中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长佐治亚理工学院终身校董讲席教授王中林教授


王中林院士是国际公认的顶级纳米科学家,在一维氧化物纳米结构的制备、表征及其在能源、电子、光电子及生物技术等领域均作出了原创性重大贡献。发明了压电纳米发电机、摩擦纳米发电机,并首先提出了自驱动系统的概念,为微纳电子系统的发展开辟了新途径,开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学研究的先河。2019年,王中林教授凭借在微纳能源和自驱动系统领域的开创性成就,获得“阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖”(AlbertEinstein World Award of Science),成为首位获此殊荣的华人科学家。
 
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王中林院士斩获2019年度“阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖”(Albert Einstein World Award of Science)。(图片来源:王中林院士课题组网站)
 
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意大利总统马塔雷拉为王中林院士颁发“能源界诺贝尔奖”埃尼奖奖章。(图片来源:王中林院士课题组网站)
 
王中林院士的研究方向主要包括纳米发电机和自供电纳米系统、面向智能系统的压电电子学、面向能源科学和光电子学的压电光电子学、面向能源捕捉的混合电池等。课题组网站显示,2019年,王中林院士发表约90篇论文(其中绝大多数为通讯作者)。由于相关论文数量非常之多,我们简要总结了王中林院士团队2019年的部分代表性研究成果供大家交流学习。其他未涉及到的论文,建议大家前往课题组网站学习(提供免费下载)。另外:
1) 本文仅限于王中林院士作为通讯作者的论文(不包括序言、短篇评述等),以online时间为准。
2)由于学术水平有限,所选文章及其表述如有不当,敬请批评指正。
 
以下篇幅分为3个方面展开:
Part Ⅰ 纳米发电机和自供电纳米系统
Part Ⅱ 压电(光)电子学
Part Ⅲ 其他
 
Part Ⅰ 纳米发电机和自供电纳米系统
1. 摩擦静电序列的定量化丨Nature Commun.
摩擦生电是众所周知的现象,这种现象时时刻刻发生在自然界和人类日常生活的各个角落。虽然任意一种材料都具有摩擦生电效应,但尚未有标准对此进行量化。早前已有研究提出摩擦静电序列,用以定性排序物质的摩擦静电极性。基于此,佐治亚理工学院王中林院士等人开发了适用于大范围高分子的摩擦静电序列量化标准,使得摩擦生电多少成为材料的基本性质。通过在条件确定的环境下利用液态金属测量材料,该方法使得实验装置标准化,可均匀定量测量一般材料的表面摩擦生电效应。在此基础上,可推导出归一化的摩擦生电电荷密度——一种高分子得失电子的本征性质。作者认为,这种定量的摩擦静电序列或许可以成为摩擦生电相关应用的教科书式标准。

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Zou, H., Zhang, Y., Guo, L.et al. Quantifying the triboelectric series. Nat Commun 10, 1427 (2019)doi:10.1038/s41467-019-09461-x
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09461-x
 
2. 基于液滴-液膜相互作用的摩擦纳米发电机丨NatureCommun.
摩擦纳米发电机是一类能源捕捉技术,传统上,其依赖于固/固、固/液之间接触起电和静电诱导的耦合效应。有鉴于此,北京纳米能源与系统研究所王中林院士陈翔宇研究员设计了能基于液/液之间相互作用而工作的摩擦纳米发电机——让液滴穿过自由悬浮的液膜来实现。实验研究了两种液膜:接地液膜和预充电液膜。~40 微升液滴在降落穿过预充电液膜时能产生最大137.4 nW的功率。此外,这种膜电极能从固态物体移除/收集静电电荷,显示出作为透过传感器和电荷过滤器的应用潜力。液-液摩擦纳米发电机能在不改变物体运动的情况下收集电流,并适用于多种目标,例如雨滴、灌溉水流、微流体、微小颗粒等。

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Nie, J., Wang, Z., Ren, Z.et al. Power generation from the interaction of a liquid droplet and a liquidmembrane. Nat Commun 10, 2264 (2019) doi:10.1038/s41467-019-10232-x
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10232-x
 
3. 一体化的电荷激励摩擦纳米发电机丨Nature Commun.
摩擦纳米发电机的性能受限于摩擦层上低的、不稳定的电荷密度。最近所报道的外部电荷注入方法是面向高输出性能摩擦纳米发电机的有效策略。然而,该系统的可集成性和电荷聚集效率相对较低。受传统励磁发电机原理启发,重庆大学胡陈果、郭恒宇北京纳米能源与系统研究所王中林院士合作,提出并实现了面向高性能稳定输出的自身电荷激励式摩擦纳米发电机。通过合理设计电压倍增电路,作者在室温下实现了完整的外部/自身电荷激励模式,在接触-分离模式下具有稳定可调的输出(>1.25 mC m2)。该工作所实现的电荷激励系统为实现高输出摩擦纳米发电机的实际应用提供了一种有前景的策略。

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Liu, W., Wang, Z., Wang, G.et al. Integrated charge excitation triboelectric nanogenerator. Nat Commun 10,1426 (2019) doi:10.1038/s41467-019-09464-8
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09464-8
 
4. 超低频机械刺激驱动的摩擦发电微马达丨Nature Commun.
高速微型马达通常由高频高压电源驱动。区别于此,北京纳米能源与系统研究所王中林院士张弛研究员等人报道了将微马达与摩擦纳米发电机相结合而成的摩擦发电微马达,其中微马达可由超低频机械刺激驱动。作者通过改变微马达结构参数和摩擦纳米发电机的机械刺激,测试了不同条件下摩擦发电微马达的性能。在50 mm滑动范围和0. 1 Hz频率的条件下,微马达可启动旋转,并在0.8 Hz下达到1000 r min-1以上转速。摩擦发电微马达的运行效率最高可达41%。此外,微马达成功应用于两套信息识别扫描系统。总之,该工作实现了不需外电源供应的超低频机械刺激驱动的高速微马达,拓展了摩擦纳米发电机在微/纳机电系统,智能机器人和自主驾驶领域的应用。

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Yang, H., Pang, Y., Bu, T.et al. Triboelectric micromotors actuated by ultralow frequency mechanicalstimuli. Nat Commun 10, 2309 (2019) doi:10.1038/s41467-019-10298-7
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10298-7
 
5. 用于水下传感和能量捕捉的仿生柔性纳米发电机丨Nature Commun.
可应用于水下环境的柔性可穿戴电子器件十分吸引人,但其发展取决于防水式可持续供电电源的开发。有鉴于此,北京纳米能源与系统研究所李舟研究员、王中林院士以及北京航空航天大学樊瑜波教授等人受电鳗发电细胞的细胞膜上离子通道结构的启发,设计了用于水下能量捕捉的仿生柔性纳米发电机。结合了流动液体产生的摩擦生电效应和静电诱导原理的仿生柔性摩擦纳米发电机能从水下人体运动中收集机械能,并输出10 V以上的开路电压。基于此,作者设计并实现了水下人体多点运动监测装置和海下救援系统。由于兼具优异的柔性、可拉伸性,出色的抗拉伸疲劳强度(超过50000次)和突出的水下性能,该仿生柔性摩擦纳米发电机有望用于水下柔性可穿戴电子器件的持续供电。

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Zou, Y., Tan, P., Shi, B.et al. A bionic stretchable nanogenerator for underwater sensing and energyharvesting. Nat Commun 10, 2695 (2019) doi:10.1038/s41467-019-10433-4
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10433-4
 
6. 基于木头的耐用柔性摩擦纳米发电机用于运动大数据分析中的自供电传感丨Nature Commun.
在物联网新时代的背景下,基于智能传感技术的大数据收集与分析相当重要。有鉴于此,北京纳米能源与系统研究所王中林院士普渡大学Feng Ru Fan等人合作,设计了一种基于木头的耐用柔性摩擦纳米发电机(TENG),并将其用于自供电传感,进行运动大数据分析。
 
具体来讲,研究者基于一种简单有效的策略,将自然界的木头转化为了兼具优异力学性能的高性能摩擦发电材料——转化之后,材料的电能输出提高了70%以上,强度提高了7.5倍,另外柔性、耐磨性和可加工性也十分突出。在此材料基础上,研究者设计出了能为运动员提供训练指导的自供电式落点分布统计系统,以及在比赛过程中协助裁判的边缘球判定系统。作者认为,该工作不仅可以将自供电系统的应用领域拓展到智能运动检测和协助,而且能促进智能体育产业中的大数据分析。

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Luo, J., Wang, Z., Xu, L.et al. Flexible and durable wood-based triboelectric nanogenerators forself-powered sensing in athletic big data analytics. Nat Commun 10, 5147 (2019)doi:10.1038/s41467-019-13166-6
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13166-6
 
7. 共生型心脏起搏器丨Nature Commun.
从心脏跳动、呼吸运动和血液流动中收集能量的自供电式医疗电子设备是即将到来的革新式应用。有鉴于此,北京纳米能源与系统研究所李舟研究员、Hao Zhang、王中林院士等人基于可移植摩擦纳米发电机实现了一种全植入式共生起搏器,该系统具有大型动物量级的能量捕捉/储存能力以及心脏起搏功能。实验表明,该共生起搏器成功纠正了窦性心律失常,并阻止了病情恶化。单个植入式摩擦纳米发电机的开路电压高达65.2 V。单次心脏搏动循环收集的能量为0.495 μJ,高于心内膜起搏所需的能量阈值0.377 μJ。作者认为,用于植入式医疗电子设备的可植入摩擦纳米发电机具有优异输出性能、高功率密度、良好耐久性等优点,并有望在诊断及治疗方面发掘新的应用。

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Ouyang, H., Liu, Z., Li, N.et al. Symbiotic cardiac pacemaker. Nat Commun 10, 1821 (2019)doi:10.1038/s41467-019-09851-1
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09851-1
 
8. 纳米尺度接触起电中的电子转移:以金属-电介质体系中的温度效应为例丨AM
接触起电现象早在几千年前就被发现,但电荷载流子的本质和转移机理至今仍存在争议。有鉴于此,佐治亚理工学院王中林院士团队以金属-电介质体系为例,利用原子力显微镜和开尔文探针力显微镜,在不同热条件下研究了接触起电和摩擦起电的充电过程。
 
结果显示,纳米尺度的电荷转移过程遵循改进的热电子发射模型。该研究重点关注了两种接触材料之间温差对接触起电的影响。实验发现,温度更高的固体倾向于接收摩擦正电荷,而温度低的固体容易带上负电荷,这表明温差诱导的电荷转移可归因于热电子发射效应——热激发电子从热表面转移到冷表面。进一步地,作者提出了一个热电子发射能带结构模型来描述温度不同的两个固体之间的电子转移。该研究同时表明,在具有不同曲率/粗糙度的表面发生纳米尺度摩擦从而引起局部温差的情况下,接触起电完全可以发生在两个相同的材料之间。

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Lin, Shiquan, et al."Electron Transfer in Nanoscale Contact Electrification: Effect ofTemperature in the Metal–Dielectric Case." Advanced Materials 31.17(2019): 1808197.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201808197
 
9. 纳米尺度接触起电中的电子转移:光子激发效应丨AM
接触起电(摩擦起电)是众所周知的现象,关于其电荷载流子本质和转移机理的研究已有数十年之久。最近,金属/陶瓷接触起电中转移电荷的种类被确定为电子转移,且其随后的释放过程由热电子发射过程主导。
 
中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队在控制温度无明显升高的情况下,通过改变光的强度和波长,对光子激发下电介质表面的接触起电致静电荷的释放过程进行了研究。结果显示,表面摩擦电荷的释放存在一个阈值光子能量,例如SiO2为4.1 eV(300 nm波长下测得),PVC为3.4eV(360 nm波长下测得);低于阈值能量的光子不能有效激发表面静电电荷。这个过程与束缚于介质材料表面态的电荷的光电子发射有关。此外,作者提出了一个光电子发射模型来描述介电材料表面上的光致电荷衰减。总之,这些发现为金属/介电材料、金属/高分子之间接触起电的电子转移过程提供了新的见解。

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Lin, Shiquan, et al."Electron Transfer in Nanoscale Contact Electrification: Photon ExcitationEffect." Advanced Materials (2019): 1901418.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901418
 

10. 非常有趣!液-固接触摩擦电纳米发电机,还能自供电双信号检测!丨AM

佐治亚理工学院王中林院士团队报道了一种液-固接触摩擦电纳米发电机(TENG),由聚(四氟乙烯)(PTFE)膜,铜电极和用于收集油/水多相中能量的玻璃基底组成。这会产生两个独特的信号,一个是液体(水/油)和PTFE膜(VTENG和ITENG)之间的接触带电和静电感应;另一种是通过油/水界面电荷(ΔVinterface and Iinterface),在铜电极中的静电感应,其仅在液-固接触TENG界面油/水界面时产生。这两个信号显示出有趣的相反变化趋势,即VTENG和ITENG减少,而ΔVinterface和 Iinterface的油/水界面信号在PTFE和玻璃表面通过自聚合涂覆一层聚多巴胺后增加。在此基础上,首次证明了利用TENG进行多巴胺的自供电双信号检测。

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Signal Output of Triboelectric Nanogenerator at Oil–Water–Solid Multiphase Interfaces and itsApplication for Dual‐Signal Chemical Sensing, AdvancedMaterials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902793
 
11. 用于柔性/可穿戴电子器件以及人工智能的纤维/织物基压电和摩擦生电纳米发电机丨AM综述
先进纳米发电机技术与传统纺织工艺的结合催生了织物基纳米发电机,后者将不可避免地促进下一代可穿戴电子和多功能人工智能系统的快速发展及广泛应用。纳米发电机赋予了智能织物机械能捕获和多功能自供电传感的功能,而织物则充当了多功能灵活设计载体以及可穿戴应用平台。然而,由于专攻纳米发电机的研究者和专注于织物的研究者之间缺乏有效互动和交流,设计出兼具优异的电输出性能和织物相关性能的纤维/织物基纳米发电机是相当困难的。
 
有鉴于此,北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队对目前最先进的可穿戴纤维/织物基压电纳米发电机和摩擦纳米发电机进行了回顾,从基本分类、材料选择、制备技术、结构设计、工作原理以及潜在应用等方面进行了总结。此外,作者还讨论了阻碍其大规模商业化的潜在困难和挑战。这篇综述不仅加深了智能织物与可穿戴纳米发电机之间的联系,也为未来可穿戴纤维/织物基纳米发电机的研究和应用提供了动力。

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Dong, Kai, Xiao Peng, andZhong Lin Wang. “Fiber/Fabric‐Based Piezoelectric and TriboelectricNanogenerators for Flexible/Stretchable and Wearable Electronics and ArtificialIntelligence.” Advanced Materials (2019).
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902549
 
12. 接触-滑动式摩擦生电驱动的动态透光调制器,用于自供电式信息屏蔽和选择性可视化丨AM
近年来,摩擦生电自驱动的柔性电子/光学系统引起了新一轮研究兴趣。这类系统的一体化集成可能会极大地提高其适应性、可操作性和便携性,但由于缺乏合适的结构构筑和集成方案,系统的一体化集成依旧是一个挑战。
 
有鉴于此,北京航空航天大学陈爱华副教授北京纳米能源与系统研究所王中林院士、朱光研究员对之前所报道的一例自供电光开关进行了彻底的重构,将其升级为完全一体化的接触-滑动式摩擦生电驱动的动态透光调制器(OTM)。OTM由多层结构构建而成,包括顶层的透明摩擦生电部分,中层的由SiO2隔开的聚合物分散的液晶(PDLC),以及底层的柔性透明导电基底。工作机理为:OTM上发生的接触-滑动产生交流电场,使PDLC层立刻切换其初始半透明态到瞬时透明态。在较低机械阈值下(接触压力≈20 kPa,滑动速度≈0.3 m s1),相对透光强度实现了从0.17~0.72较宽范围的变化。在实际应用方面,在没有外来光学元件和电源供应的情况下,OTM成功实现了信息屏蔽和选择性可视化功能,显示出在各类自供电光学交互式应用中的巨大潜力。

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Zhang, Chen, et al. “AContact‐Sliding‐Triboelectrification‐Driven Dynamic Optical TransmittanceModulator for Self‐Powered Information Covering and Selective Visualization.”Advanced Materials (2019).
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904988
 
13. 生物机械能供电的摩擦纳米发电机用于自驱动的胞内给药丨AM
为达到治疗目的而进行的胞内药物/生物大分子递送在同时实现非破坏性、高效性、按需供应等方面仍面临挑战。有鉴于此,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、李琳琳研究员、JiadongLi等人设计了生物机械能供电摩擦纳米发电机(TENG)驱动的电穿孔系统,用于体内/体外实验中高效、低损伤的胞内给药。
 
在整套系统中,自供电TENG作为稳定电压脉冲源引发质膜电位的增加,提高膜通透性。相应地,Si纳米针阵列电极通过提高纳米针-细胞界面的局部电场,使得电穿孔过程中细胞损伤最小化;同时也降低了质膜流动性以利于更多分子进入。该系统实现了外源物质(小分子,大分子和siRNA)在各类细胞中的高效递送,包括难转染的原代细胞,递送效率高达90%,细胞存活率超过94%。通过简单的手指摩擦或是手掌拍打可穿戴TENGs,实验成功实现了生物分子透皮给药,在小鼠中的透皮深度提高了3倍。作者认为,这种用于有源电穿孔给药的集成式自供电系统在自调节给药和可穿戴医疗方面具有巨大前景。

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Liu, Zhirong, et al. “Self‐PoweredIntracellular Drug Delivery by a Biomechanical Energy‐Driven TriboelectricNanogenerator.” Advanced Materials 31.12 (2019): 1807795.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201807795
 

14. 由生物机械运动驱动和调节的自供电式离子电渗经皮给药系统丨AFM

带反馈控制的经皮给药(TDD)系统因其独特的便利、自我给药和安全等优点而引起了广泛的研究和临床兴趣。在此,佐治亚理工学院王中林院士研究团队提出了一种自供电可穿戴式离子电导 TDD系统,该系统可以通过生物力学运动获取的能量来驱动和调节,用于闭环运动检测和治疗。这种可穿戴的摩擦电动纳米发电机(TENG)被用作运动传感器和能量采集机,可以将生物力学运动转化为电能,从而在不需要储存能量的情况下进行离子渗入,而基于水凝胶的带有并排电极的软贴片则可实现无创离子渗入TDD。在以染料为模型药物的在猪皮上进行的概念验证实验成功地证明了该系统的可行性。这项工作不仅扩展了TENG在生物医学领域的应用,而且还为非侵入性、电辅助TDD的闭环传感和治疗提供了具有成本效益的解决方案。

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Changsheng Wu, Peng Jiang, Zhong Lin Wang, et al. Self‐Powered Iontophoretic Transdermal Drug Delivery System Driven andRegulated by Biomechanical Motions. Adv. Funct. Mater., 2019.
https://doi.org/10.1002/adfm.201907378
 

15. 自供电的p-Si/n-ZnO纳米线热光电效应对温度的依赖关系丨Nano Today

紫外光电探测器(UV PDs)因其在工业和科学领域的广泛应用而受到广泛关注,包括火焰预警、污染物监测、水净化和人身保护等。在过去的几十年里,基于许多不同结构的半导体(如薄膜、纳米线和纳米颗粒),人们对各种高响应、高探测性、快速响应和恢复速度的紫外PDs进行了深入的研究。用热释电半导体制造的自供电pn结器件作为有源紫外线(UV)光电探测器(PD)因其具有高效节能、有源功能和超快响应速度的特点而备受关注。
 
在此,华南师范大学王幸福佐治亚理工学院王中林院士在p-Si上生长的热释电ZnO纳米线(NW)用作自供电UV PD。在没有外部电压的情况下,所制造的器件表现出稳定且均匀的紫外线感测能力,具有高的光响应性以及快速的响应和衰减时间。此外,系统地研究了环境温度对自供电UV PD的影响。在77 K的温度下,UVPD的电流响应显著改善了1304%以上,而在室温下仅增加了532.6%。在高于室温的温度下,即使温度从室温升高到85 °C,UV PD仍能以自供电和稳定的方式很好地发挥作用,显示出17.0 mA/W的良好光响应性和700 μs的快速响应时间。通过对pn结能量图的分析,详细阐述了自供电UV PDs的基本物理机制。该研究为高性能紫外传感和超快光电通信的研究提供了指导意义。

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Jianqi Dong, Zhengjun Wang, Xingfu Wang, Zhong Lin Wang.Temperature dependence of the pyro-phototronic effect in self-poweredp-Si/n-ZnO nanowires heterojuncted ultraviolet sensors. Nano Today 2019, 29.
DOI: 10.1016/j.nantod.2019.100798
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013219303184
 
Part Ⅱ 压电(光)电子学

16. 第三代半导体纳米线在压电(光)电子学领域的应用丨Chem. Rev.

近年来,随着纳米科学技术的飞速发展,半导体纳米线在电子和光电子领域得到了广泛的应用。其中,以ZnO、GaN为代表的第三代半导体由于其c轴方向的结构不对称,沿纳米线纵向有相对较大的自发极化。压电、光激发和半导体特性的双或多路耦合产生了压电电子学和压电光电子学等新的研究领域。近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林,潘曹峰,翟俊宜等综述了纳米线基压电电子学和压电光电子学的机理和应用。研究压电电子学和压电光电子学,可实现通过简单的机械刺激有效地控制载流子输运、光电特性等,引起了广泛的关注。

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Caofeng Pan,* Junyi Zhai,* Zhong Lin Wang*. Piezotronics and Piezo-phototronics of Third GenerationSemiconductor Nanowires. Chem. Rev., 2019
DOI: 10.1021/acs.chemrev.8b00599
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.8b00599
 
17. 二维纳米材料用于压电(光)电子学丨Materials Today Nano综述
近年来,对于二维材料以及范德华异质结器件的研究逐步成为凝聚态物理和材料学科的热点。从晶体学角度讲,二维形貌体现了晶体结构中三维对称性的破缺,因此许多非压电块体材料在单层条件下会出现本征的压电特性。2014年,王中林院士课题组利用实验手段证明了二维范德华半导体MoS2中的压电性能,并首次将压电电子学/压电光电子学的概念引入二维领域。掀起了新型二维压电材料体系理论预测、量子压电电子学/压电光电子学以及新型压电范德华异质结器件研究的热潮,并逐步成为二维材料领域研究的一个重要分支。
 
鉴于此,中科院北京纳米能源与系统研究所所长,佐治亚理工学院校董教授王中林院士潘曹峰研究员林沛博士后对该领域的最新研究进展进行了系统综述,重点介绍了压电电子学/压电光电子学在二维纳米能源、主动式力电/光电传感等方面的应用。此外,作者还对该领域目前存在的主要问题以及未来可能的科学突破进行了展望。

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Lin P, Pan C, Wang Z L, etal. Two-dimensional nanomaterials for novel piezotronics and piezophototronics.Materials Today Nano, 2018.
DOI: 10.1016/j.mtnano.2018.11.006
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588842018301494
详细解读参见:
《王中林团队综述:二维纳米材料用于压电(光)电子学》

18. 压电光电效应增强柔性钙钛矿太阳能电池性能丨ACS Nano

王中林院士联合孟庆波等多个团队利用压电光电效应来提高钙钛矿太阳能电池的效率。通过在柔性塑料基底上生长ZnO纳米线阵列,并作为电子传输层,用于柔性钛矿太阳能电池。受益于压电光电效应,柔性器件的效率在1.88%的静态机械应变下从9.3%提高到12.8%,增强了约40%,但材料和器件结构并未发生变化。该研究提供了一种改进柔性PSC性能而不改变其基本材料的普适性策略。

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Junlu Sun, Qilin Hua, Ranran Zhou, Dongmei Li, Wenxi Guo, XiaoyiLi, Guofeng Hu, Chongxin Shan, Qingbo Meng, Lin Dong, Caofeng Pan, and ZhongLin Wang. Piezo-Phototronic Effect Enhanced Efficient Flexible Perovskite SolarCells. ACS Nano
DOI: 10.1021/acsnano.9b00125.
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/pdf/10.1021/acsnano.9b00125
 

19. 压电效应增强等离子体光催化丨AFM

通过制造Aux/BaTiO3纳米异质结构,引入压电效应以增强等离子体光催化作用。BaTiO3纳米晶在超声处理时的压电极化抑制了光生热电子-空穴对的复合,增强了Au纳米粒子的局域表面等离子共振,从而改善了光催化过程。

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Wang, Z. et al. Piezotronic Effect Enhanced PlasmonicPhotocatalysis by AuNPs/BaTiO3 Heterostructures. Adv. Funct.Mater.
Doi:10.1002/adfm.201808737.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201808737
 
20. 压电光电子学效应优化气体传感器性能丨Science Bulletin
NO2是一种有毒气体,被认为是车辆排放、工业废气和环境监测的关键指标。开发简单、低成本和高效率的传感器来探测NO2气体是非常有必要的。最近,基于二维的硫化钼(MoS2)的场效应晶体管(FET)传感器由于对气体分子的高响应而引起研究者的兴趣。 然而,这些传统的单个裸露的FET传感器通常需要较大的外部栅极偏压才能实现较高的灵敏度。特别是,对于原子薄的二维半导体材料,极大的栅极偏压也是以牺牲寿命和增加功耗为代价的,这对于潜在的应用具有不可避免的缺陷。
 
有鉴于此,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林、翟俊宜课题组设计并制备了一种柔性的单层硫化钼基的NO2气体传感器,通过施加应变和光强显著增强了NO2传感器的性能。首次研究了压电光电子学效应对单层硫化钼基NO2气体传感器性能的影响,发现应变诱导的压电势可以通过改善肖特基势垒有效地控制电子和光电子传输,进一步的优化气体传感器的性能。

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Junmeng Guo, Rongmei Wen,Junyi Zhai, Zhong Lin Wang. Enhanced NO2 gas sensing of a single-layer MoS2 byphotogating and piezo-phototronic effects. Science Bulletin, 2019, 64(2):128-135.
DOI:10.1016/j.scib.2018.12.009
https://doi.org/10.1016/j.scib.2018.12.009
详细解读参见:
《王中林/翟俊宜团队:压电光子学效应优化气体传感器性能!》

Part Ⅲ 其他
21. 杂原子掺杂的3D碳纳米材料作为一体化能源装置的多功能催化剂丨AM综述
可持续、低成本的能源产出对于满足现今社会的能源需求至关重要。为了实现这个目的,发展廉价、可量产、高效可靠的催化剂是十分关键的。碳基杂原子掺杂的三维多孔电极催化剂在电化学能源转化和储存中极具前景。掺杂各种杂原子的各类碳的同素异形体可被用于电极材料的低成本量产。3D多孔碳电极具有多重优点,例如大的表面积,充分暴露的活性位点,利于电子高效传输的3D导电路径,以及促进电解液扩散的多孔通道。然而,这些各向同性3D碳结构的制备和功能化是具有挑战性的。
 
鉴于此,凯斯西储大学戴黎明教授佐治亚理工学院王中林院士美国空军研究实验室Ajit Roy等人总结了3D多孔碳材料的各类合成方法,为理解其理化性质、杂原子掺杂如何影响电催化性能提供了参考。此外,作者展望了用于能源转化的有前景的3D碳结构材料以及高效集成能源系统。

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Paul, Rajib, et al. “3DHeteroatom‐Doped Carbon Nanomaterials as Multifunctional Metal‐Free Catalystsfor Integrated Energy Devices.” Advanced Materials 31.13 (2019): 1805598.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201805598
 

22. 面向闭环系统的电子皮肤丨ACS Nano展望

皮肤不仅是人类抵御外界伤害的第一道屏障,还是人类感知世界和获取信息的媒介之一。皮肤拥有世界上已知的最大的传感器网络,能够同时检测和区分各种刺激,例如压力、应变、温度、湿度和疼痛等。电子皮肤(e-skin)通过结合新材料和结构设计来模拟和复制人类皮肤的各种特性,其发展对智能机器人、物联网和人机交互具有深远的意义。
 
近日,北京纳米能源与系统研究所王中林院士、潘曹峰研究员在 ACS  Nano杂志发表题为Electronic Skin forClosed-Loop Systems的展望文章,指出电子皮肤的最终目标是完全实现甚至超越人类皮肤的功能,并与数据处理单元、制动器相结合,组成一个刺激感应-信号处理-反馈制动的闭环系统。文章首先介绍了应用于电子皮肤的触觉传感器的工作机制及其优缺点、特征属性,指出触觉传感器应与温度、湿度、光、磁、生理和化学传感相结合发展多模态传感器;数据处理单元需要硬件(柔性电路)、软件(数据算法)同时发展;制动器需要满足高能量密度、快速响应等要求;三者进而结合构成闭环系统,实现刺激感应-信号处理-反馈制动的功能。

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Wang, Chunfeng, Caofeng Pan, and Zhonglin Wang."Electronic Skin for Closed-Loop Systems." ACS nano 13.11 (2019):12287-12293.
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.9b06576
 
除此之外,王中林院士课题组2019年在压电(光)电子学、纳米机器人、人-机界面、纳米传感器、医学诊断、光伏技术等领域还发表了一系列重要成果,由于内容较多,在此不一一列出。感兴趣的读者可前往课题组网站学习(http://www.nanoscience.gatech.edu/publications/papers/2019.php)。
 
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王中林院士简介
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王中林,1961年出生于陕西省蒲城县,国际顶尖纳米科学家、能源技术专家,中国科学院外籍院士,欧洲科学院院士,佐治亚理工学院终身教授,中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长,中国科学院大学纳米科学与技术学院院长。
 
1978年王中林考入西北电讯工程学院;1982年通过中美联合培养物理类研究生计划,赴美国亚利桑那州立大学就读;1987年7月获得物理学博士学位;1995年被佐治亚理工学院聘为副教授和电子显微镜实验室主任;2000年9月创建了佐治亚理工学院的纳米科学和技术中心并担任该中心主任;2001年被聘为长江学者奖励计划特聘讲座教授;2004年担任国家纳米科学中心第一届海外主任;2004年晋升为佐治亚理工学院的终身校董事教授;2005年2月推动成立北京大学工学院先进材料与纳米技术系,担任首任系主任;2009年当选中国科学院外籍院士。2012年担任中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家。
 
课题组网站:
http://www.nanoscience.gatech.edu/
 
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课题组合影
(来源:http://www.nanoscience.gatech.edu/)

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