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　　摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新兴能源技术可将机械能转化为电能。然而，TENG工作时会不可避免地产生摩擦磨损，将严重影响输出性能并且导致失效。通过结构设计TENG可在非接触模式下长期工作，然而该TENG的输出是由静电感应产生，并且会随电荷耗散而逐渐衰减，也需要接触摩擦补充电荷。长寿命TENG既需要接触摩擦产生电荷，也需要超低的摩擦系数减少磨损。因此，建立超滑摩擦起电界面并通过静电感应输出电荷是实现长寿命TENG的理想解决方案。

　　近日，中科院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员、王中林院士以及清华大学陈新春副研究员的联合研究团队开发了亚毫米尺度的固体超滑TENG（SS-TENG），实现了超低的摩擦系数和稳定的摩擦电输出。该工作采用MEMS工艺将叉指电极埋入介电层，并通过高度氢化的类金刚石薄膜（PLC）作为摩擦起电层，以有效降低摩擦系数。本工作系统研究了不同参数下的摩擦特性，其中在 4 N、2 Hz 和氮气条件下，实现了接触面积直径为亚毫米尺度（直径130 μm）的超滑状态（μ=0。0084），以及超滑条件下稳定的摩擦电输出功率。本工作首次在亚毫米尺度上实现了独立层模式的超滑TENG，并在转移膜中观察到了类石墨烯的微观有序结构，为开发长寿命TENG提供了可行的策略。该成果以“Submillimeter-scale Superlubric Triboelectric Nanogenerator”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

　　SS-TENG采用微纳加工技术进行制造，通过在SiO2上蚀刻出叉指电极的沟槽并填充铜形成平面结构。DLC薄膜是SS-TENG的关键组成部分，本文制备了四种不同的DLC薄膜FUN88登录，包括PLC（富氢类聚合物DLC）FUN88登录、本征DLC、掺硅DLC（Si-DLC）和GLC（类石墨DLC）。通过扫描开尔文探针显微镜测试四种DLC 薄膜的摩擦起电性能，选择PLC作为超滑和摩擦起电材料沉积在电极表面。通过光学显微镜观察SS-TENG工作后PLC表面的磨损痕迹和球形摩擦副上的磨损碎屑，表明SS-TENG的实际接触面积直径为130 μm。

　　为探索超滑实现条件，研究了不同参数下（球形摩擦副的材料、气体氛围、载荷、往复运动频率）的摩擦学特性。实验结果表明，当摩擦副的材料、气体氛围、接触力、往复运动频率分别为不锈钢、干燥N2、4 N 和 2 Hz时，达到了摩擦系数最小为0。0084的超滑状态。

　　超滑界面中的纳米结构通过 FIB 技术进行了表征。透射电子显微镜（TEM）结果显示，沿滑动界面原位形成了类似石墨烯的 a-C！H 剪切带，其中碳原子发生了摩擦诱导的定向重排，层间距约为0。35 nm。从摩擦试验后磨斑痕迹及其碎屑的拉曼光谱和 TEM 观察结果可以发现，滑动界面的微观结构与动态变化的静电场密切相关。动态静电场变化触发了氢化表面钝化机制的持续激活，界面接触区的静电吸引和接触压力的增加增强了氢化表面钝化机制，为适应交变静电状态的超滑稳定性做出了主要贡献。因此，形成的类石墨烯剪切层的微观结构更像是高氢化类石墨碳的键合态，在上述协同作用下，可提供易剪切润滑性能，并抑制界面材料的磨损。

　　图2 SS-TENG的摩擦特性。a) 摩擦测试设备示意图 b) 超滑条件下的摩擦稳定性和耐久性测试 c) 不同参数下摩擦系数随测试时间的变化 d) 最小摩擦系数与不同参数的关系。

　　图3超滑界面纳米结构。a、b) 轴承钢球表面沿滑动界面原位形成的类石墨烯剪切带。c) 显示剪切有序类石墨烯结构的TEM高倍放大图像。

　　在130 μm的亚毫米级实际接触面积上，SS-TENG可产生40 mV的开路电压、0。7 nA的短路电流和3 mW m-2的峰值功率密度，匹配阻抗为 4 MΩ。在 1000 次循环后，SS-TENG的摩擦系数和电输出均无明显变化。

　　本文开发出了一种超滑独立模式摩擦纳米发电机。当球形摩擦副的材料、气体氛围、载荷和往复频率分别为不锈钢、干燥N2、4 N 和 2 Hz 时，采用嵌入式叉指电极和高质量PLC薄膜作为摩擦起电层，可实现摩擦系数为0。0084的超滑状态。在130 μm的亚毫米级实际接触面积上，该器件可产生稳定的电输出，为开发长寿命TENG提供了一种可行的策略，有望广泛应用于机械部件、人体关节运动以及自然环境中的摩擦能量回收。

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