本篇報道的團隊在深圳清華大學研究院設超滑技術研究所（點擊進入）
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清華新聞網4月19日電 近日，清華大學微納米力學與多學科交叉創(chuàng)新研究中心鄭泉水院士研究組在結構超滑技術的應用領域取得重要突破，首次從實驗上實現(xiàn)了結構超滑微發(fā)電機。技術上，基于動態(tài)肖特基節(jié)原理的這個原型樣機，在4微米見方的超滑接觸面，不僅實現(xiàn)了極高的電流密度(～210 Am-2)和功率密度(～7 Wm-2)，還具有幾乎無限的壽命。科學上，該工作還首次排除了摩擦誘導的激發(fā)機制，并給出了金屬/半導體相對滑動過程中非平衡電子漂移過程導致發(fā)電的物理過程。這項工作將指導和加速超滑微發(fā)電機在未來的應用。
肖特基超滑發(fā)電機的結構、輸出電流和摩擦力，及其與傳統(tǒng)肖特基發(fā)電機的對比。(a)石墨島/ n型硅形成的肖特基超滑發(fā)電機的結構示意圖。(b)石墨島/ n型硅形成的肖特基超滑發(fā)電機的光學顯微鏡圖像。(c)肖特基超滑發(fā)電機的前2,000個循環(huán)的電流圖。(d)肖特基超滑發(fā)電機在不同速度下的摩擦力（紅色）和電流（藍色）與滑動循環(huán)次數之間的關系。(e)納米針尖與n型硅形成的傳統(tǒng)肖特基發(fā)電機的前56個循環(huán)的電流圖，以及結構示意圖。(f)傳統(tǒng)肖特基發(fā)電機的摩擦力（紅色）和平均電流（藍色）與滑動循環(huán)次數之間的關系。
隨著微米納米制造技術的飛速發(fā)展，不斷微型化的傳感器和器件正在物聯(lián)網，傳感器網絡，大數據，私人健康系統(tǒng)，人工智能等領域中大量應用。然而到目前為止，這些微型器件和傳感器主要仍由電池或者外部充電設備供電，這嚴重限制了其發(fā)展和應用場景，尤其是對需要進行獨立，可持續(xù)，免維護操作的微型器件，例如植入式生物傳感器，遠程和移動環(huán)境傳感器，納米/微型機器人，便攜式/可穿戴式個人電子設備等等，外部供電的方式將變得十分困難，甚至不可實現(xiàn)，而若采用電池這類消耗式電源，如何更換電池和反復對其充能又成為了一個非常復雜且困難的問題，同時目前小尺度的化學電池也面臨著諸多的困難。
微發(fā)電機指的是一種能夠在極其微弱的外界激勵下，將激勵能量轉化為電能的器件，同時其具有結構尺寸微小，適用范圍廣泛等特點。但是，極低的電流密度和較短的使用壽命導致具有上述優(yōu)點的微發(fā)電機至今沒有實現(xiàn)，其中一個很重要的原因是在小尺度下，摩擦和磨損帶來的問題被顯著的放大，導致其失效。因此，亟待從源頭上尋找革命性的技術方法突破摩擦、磨損瓶頸問題，以推動微發(fā)電機真正走到實際應用。結構超滑(Structural Superlubricity)指的是兩個完全接觸的固體表面在滑動過程中，保持幾乎為零的摩擦力和零磨損的狀態(tài)。2012年鄭泉水團隊第一次在在大氣環(huán)境中、以m/s的速度實現(xiàn)了微米尺度結構超滑，為上述瓶頸問題的解決帶來了曙光。最近，在深圳市政府和深圳市坪山區(qū)政府資助下，鄭泉水領銜建立了全球第一個結構超滑技術研究機構——深圳清華大學研究院超滑技術研究所。
近期，一種新型的微發(fā)電機結構被提出，即通過金屬與半導體接觸形成的肖特基節(jié)在相對滑動過程中產生直流電信號(簡稱肖特基發(fā)電機)，其相比于傳統(tǒng)的靜電感應式微發(fā)電機具有結構簡單、電流密度高等優(yōu)點。然而，到目前為止，所有報道的肖特基發(fā)電機都無法同時實現(xiàn)足夠高的電流密度和足夠長的使用壽命，嚴重限制了其應用。我們猜測導致上述瓶頸的根本原因是大多數報道的肖特基發(fā)電機均基于摩擦激發(fā)產生電流的機制。但是，可能存在另一種產生電流的機制，即通過滑動過程中耗盡層建立和破壞形成的非平衡漂移電流來產生電流，可以解決上述的瓶頸問題，而結構超滑技術則提供了一種巧妙的手段來驗證該機制。本次報道的工作正是采用石墨島和原子級平整的n型硅形成的肖特基超滑發(fā)電機，實現(xiàn)了穩(wěn)定的高電流密度(～210 Am-2)和功率密度(～7 Wm-2)，而且更重要的是在保持穩(wěn)定的高電流密度(～119 Am-2)的同時，實現(xiàn)了至少5,000個周期的長壽命。進一步的，我們通過實驗中極低的摩擦力排除了摩擦激發(fā)機制，首次揭示了肖特基發(fā)電機中還存在其他產生電流的機制，并通過準靜態(tài)有限元模擬證明耗盡層建立和破壞形成的非平衡漂移電流是肖特基超滑發(fā)電機中最有可能產生電流的機制，并給出了該機制的物理圖像和過程。
該工作以“具有高電流密度和超長壽命的微型肖特基超滑微發(fā)電機”（Microscale Schottky superlubric generator with high direct-current density and ultralong life）為題，2021年4月16日在線發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。鄭泉水的博士生黃軒宇為該論文第一作者；鄭泉水為通訊作者。論文合作者還包括深圳清華大學研究院超滑技術研究所的向小健博士、聶錦輝博士和姜海洋博士，清華大學的彭德利博士、錢班本科生楊馥瑋、博士生吳章輝、徐志平教授。
