In deze review worden drie takken van tribotronica geïntroduceerd die de uitdagingen van TENG aanpakken door halfgeleidermaterialen en -technologieën te integreren, zoals tribovoltaïsch effect, tribo-elektrisch veldeffect en tribo-elektrisch energiebeheer, wat de veelbelovende vooruitzichten van tribotronica bij de ontwikkeling van nieuwe functionele systemen aantoont. apparaten en zelfaangedreven microsystemen voor verschillende gebieden. Credits: Chi Zhang, Junqing Zhao, Zhi Zhang, Tianzhao Bu, Guoxu Liu en Xianpeng Fu.
Gevormd door het koppelingseffect van contactelektrificatie en elektrostatische inductie, zetten tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG) de meest verspreide micro-nano-energie in onze omgeving, inclusief menselijke beweging, wind, trillingen en regenval, effectief om in elektrische energie, waardoor een duurzame oplossing wordt geboden. om een overvloed aan sensoren van stroom te voorzien die de huidige batterijvoeding niet kon adresseren.
De uitgangsstroom en het vermogen van TENG zijn echter beperkt vanwege de lage oppervlakteladingsdichtheid.
De verkregen ladingen op het tribo-elektrische oppervlak blijven beperkt en onstabiel, waardoor verdere strategieën nodig zijn om de uitgangsstroom en de vermogensdichtheid te verbeteren. Bovendien heeft de tribo-elektrische detectie een slechte resolutie en blijft deze binnen de detectieregulatie op macroschaal. Bovendien bezit TENG een inherente capacitieve interne impedantie, waardoor een effectieve energiebeheerstrategie vereist is om de uitgangsimpedantie van TENG te verminderen en te voldoen aan de eisen van elektronica en zelfaangedreven systemen.
Als reactie op de uitdagingen waarmee TENG wordt geconfronteerd, heeft de groep van prof. Chi Zhang van het Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems drie takken van tribotronica uitgevoerd die deze uitdagingen aanpakken door halfgeleidermaterialen en -technologieën te integreren, namelijk het tribovoltaïsche effect, het tribo-elektrische veldeffect en triboelektrisch energiebeheer.
Ze realiseren het tribo-elektrische apparaat met een hoge vermogensdichtheid, tribo-elektrische transistors met een gated effect op nanoschaal en tribo-elektrische zelfaangedreven systemen met een zeer efficiënte energievoorziening, en de toepassingsdemonstratie van zelfaangedreven draadloze sensorknooppunten is uitgevoerd voor industrieel gebied.
Gepubliceerd in Internationaal tijdschrift voor extreme productieDoor de recente ontwikkelingen in de tribotronica samen te vatten, heeft dit onderzoek tot doel de ontwikkeling van nieuwe tribo-elektrische apparaten en zelfaangedreven microsystemen op het gebied van intelligente productie, draadloze sensornetwerken en het industriële internet der dingen te stimuleren.
Professor Chi Zhang, de leidende onderzoeker, zei: “Met halfgeleidermaterialen in plaats van isolatoren als wrijvingsmaterialen voor TENG is gelijkstroom-energieopwekking waargenomen, wat het tribovoltaïsche effect wordt genoemd. Vergeleken met de TENG wordt de tribovoltaïsche generator niet beperkt door de oppervlakteladingsdichtheid, die de stroomdichtheid met een orde van grootte verhoogt, en voordelen heeft bij een hoge vermogensdichtheid.
Het tribovoltaïsche effect treedt op op de halfgeleiderinterface. Wanneer wrijving wordt uitgeoefend op de diëlektrische laag op het halfgeleideroppervlak, kan de door wrijving gegenereerde tribo-elektrische potentiaal worden gebruikt om het dragertransport in de halfgeleider te regelen. Co-auteur Dr. Junqing Zhao zei: “Het door de TENG gegenereerde tribo-elektrische potentieel kan worden gebruikt als poortspanning in een veldeffecttransistor, op basis waarvan actieve mechanische detectie en tactiele detectie op nanoschaal kunnen worden gerealiseerd.”
Naast het bestuderen van de elektronica van grensvlakwrijvingssystemen, wordt de op TENG gebaseerde tribo-elektrische energiebeheermethode voorgesteld, waarbij gebruik wordt gemaakt van halfgeleidertechnologie om de efficiëntie van de energievoorziening te verbeteren. Dr. Junqing Zhao geloofde: “De energiebeheerstrategie van impedantiereductie, gebaseerd op halfgeleiderapparaattechnologie, verbetert het stroomvoorzieningseffect voor sensoren en microsystemen, wat een doorbraak betekent in de toepassing van tribotronische apparaten op het gebied van zelfaangedreven detectienetwerken.”
Professor Chi Zhang zei: “Tribotronica is een nieuw vakgebied dat de interactie tussen tribo-elektriciteit en halfgeleiders onderzoekt. Enerzijds richt het onderzoek zich op de elektronica van grensvlakwrijvingssystemen, zoals het tribovoltaïsche effect en het tribo-elektrische veldeffect, om tribotronische apparaten voor energie te ontwikkelen. conversie, actieve detectie en controle.”
“Aan de andere kant richt het onderzoek zich op tribo-elektrische technologie via elektronica, die energiemodulatie, opslag en gebruik van tribo-elektriciteit omvat, waardoor een efficiënte verzameling van micromechanische energie mogelijk wordt en micro-energieoplossingen voor gedistribueerde detectie worden geboden.”
“Er blijven echter in dit stadium enkele problemen bestaan, waaronder diepgaand onderzoek naar het energieconversiemechanisme voor tribovoltaïsch effect, de ontwikkeling van nieuwe tribotronische apparaten door innovatieve materialen te combineren met productietechnologie, en de verbetering van het tribo-elektrische energiebeheer om het potentieel ervan volledig te verkennen. nieuwe elektromechanische toepassingen.”
“Door te combineren met een verscheidenheid aan disciplines zoals nano-energie en micro-elektromechanische systemen, zal tribotronica de potentiële toepassingen op nieuwe gebieden uitbreiden, zoals slimme detectie, energiewetenschap, mens-machine-interface en biowetenschappen.”
Meer informatie:
Chi Zhang et al., Tribotronica: een opkomend vakgebied door tribo-elektriciteit en halfgeleiders te koppelen, Internationaal tijdschrift voor extreme productie (2023). DOI: 10.1088/2631-7990/ace669
Geleverd door International Journal of Extreme Manufacturing
