近年來(lái)，由于鐵電材料具有特殊的光伏特性，能將光能直接轉(zhuǎn)換為電能，故此引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。出于提高鐵電光伏器件的量子效率以及填充因子等原因，近年來(lái)業(yè)內(nèi)展開(kāi)了不少研究，并主要集中在能帶工程和電極工程上。

然而，在鐵電材料多功能的應(yīng)用上，相關(guān)研究還很少。實(shí)現(xiàn)鐵電光伏特性與其他功能特性的耦合具有重要意義，鐵材料中各種物理性質(zhì)的相互作用也應(yīng)得到關(guān)注。

發(fā)電機(jī)工作原理

鐵電材料的光伏與其他物理特性耦合的意義

中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所楊亞研究員，曾在《壓電-熱電-光電耦合增強(qiáng)鈦酸鋇材料的電荷量》（Piezo–pyro–photoelectric effects induced coupling enhancement of charge quantity in BaTiO3 materials for simultaneously scavenging light and vibration energies）這項(xiàng)研究中，重點(diǎn)研究了壓電和光伏的耦合增強(qiáng)效應(yīng)，相關(guān)論文發(fā)表在Energy & Environmental Science上[1]。

該論文報(bào)道了通過(guò)壓電-熱電-光電耦合效應(yīng)，他實(shí)現(xiàn)了電荷量的耦合增強(qiáng)，為微納能源和自供電傳感器系統(tǒng)的潛在應(yīng)用帶來(lái)了巨大前景，并借此研究了在不同工作條件下，光伏性能的影響因素、以及鈦酸鋇中壓電和光伏效應(yīng)的相互作用。北京發(fā)電機(jī)###http://www.1688baifa.com

當(dāng)使用鐵電材料的光伏特性收集光能，用壓電效應(yīng)收集風(fēng)能，同時(shí)進(jìn)行光照和吹風(fēng)時(shí)，所產(chǎn)生的電荷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩者之間的加和。具體來(lái)說(shuō)，耦合在一起產(chǎn)生的電荷量遠(yuǎn)大于兩者分別產(chǎn)生的電荷量加和，這種現(xiàn)象就叫耦合增強(qiáng)效應(yīng)，此外，耦合增強(qiáng)效應(yīng)中還存在一些新的物理機(jī)制。他觀察到，鐵電光伏性能的調(diào)控與鈦酸鋇的壓電系數(shù)直接相關(guān)，這種材料的壓電系數(shù)會(huì)隨著器件溫度降低而增加。通過(guò)同時(shí)施加振動(dòng)和風(fēng)，可觀察到該器件的溫度下降，從而獲得最佳的充電性能。比如，一個(gè)4.7μF 的電容可以在 20 秒內(nèi)很容易地充電到 0.44 V。

此外，隨著自供電傳感器的快速發(fā)展，對(duì)從周圍環(huán)境產(chǎn)生清潔能源提出了需求。由于鐵電光伏器件可以產(chǎn)生其本身帶隙以上的光伏電壓，可直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的能力，也吸引了科學(xué)家們的目光。迄今為止，許多鐵電體包括 Pb（Zr、Ti）O3（PZT）、BiFeO3（BFO）和 BaTiO3（BTO）等材料已被用作鐵電光伏器件，在能量捕獲、計(jì)算存儲(chǔ)器和光機(jī)械器件等領(lǐng)域具有很大的實(shí)際應(yīng)用前景。北京發(fā)電機(jī)###http://www.1688baifa.com

深耕復(fù)合與耦合納米發(fā)電機(jī)

在耦合納米發(fā)電機(jī)方面，楊亞研究員的研究成果在國(guó)際上也具有大的影響力。2020年，他出版了一本有關(guān)復(fù)合與耦合納米發(fā)電機(jī)的書，書名叫《復(fù)合與耦合納米發(fā)電機(jī)：設(shè)計(jì)、性能與應(yīng)用》[2]，由全球歷史最悠久的學(xué)術(shù)出版商之一 Wiley 出版。圍繞復(fù)合與耦合納米發(fā)電機(jī)，該書介紹了最近十年在復(fù)合與耦合納米發(fā)電機(jī)方面的詳細(xì)發(fā)展歷程，以及對(duì)于未來(lái)發(fā)展方向的預(yù)測(cè)。

復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的原理是，通過(guò)集成機(jī)械能、光能和熱能發(fā)電器件，把幾種不同發(fā)電機(jī)集成在一個(gè)系統(tǒng)里，去研究它們的輸出性能和電源管理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸出穩(wěn)定直流發(fā)電的作用。

最近幾年，楊亞研究員提出并開(kāi)展了關(guān)于耦合納米發(fā)電機(jī)方面研究，這種設(shè)備不再是簡(jiǎn)單的系統(tǒng)集成，而是轉(zhuǎn)向從材料角度去做耦合發(fā)電。研究中，他要尋找既能收集光能、又能收集熱能和機(jī)械能的材料。其好處在于，一方面可大大降低材料的制造成本；另一方面，可做出較高的陣列化像素，從而提高基于納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)多功能傳感分辨率。同時(shí)，其中也會(huì)出現(xiàn)新的耦合物理機(jī)制。

在做熱電和光電時(shí)，楊亞研究員發(fā)現(xiàn)如果同時(shí)施加光照和制冷，兩者之間會(huì)有相互影響，并產(chǎn)生 1+1＞2 的效果即耦合增強(qiáng)。通常把兩個(gè)物理量放在一起，大多數(shù)情況都是耦合削弱，原因在于其中涉及到兩個(gè)物理量的內(nèi)阻不匹配問(wèn)題。但是，楊亞研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)首次在這項(xiàng)工作中發(fā)現(xiàn)了耦合增強(qiáng)效應(yīng)，這個(gè)是每個(gè)人所希望但是很難做出來(lái)的。北京發(fā)電機(jī)###http://www.1688baifa.com

這項(xiàng)工作向鐵電光伏性能的高效調(diào)控邁出了重要的一步，這為鐵電材料在微納能源和自驅(qū)動(dòng)傳感器的潛在應(yīng)用帶來(lái)了巨大的前景。下一步，楊亞研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)仍會(huì)繼續(xù)研究和發(fā)展復(fù)合與耦合納米發(fā)電機(jī)，先是弄清楚相關(guān)的物理機(jī)制，然后發(fā)展一些關(guān)于復(fù)合與耦合納米發(fā)電機(jī)的新的應(yīng)用，再就是結(jié)合納米發(fā)電機(jī)和傳感器，做一些交叉性工作。前幾年他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)做了大量關(guān)于復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的工作，盡管在材料上無(wú)需花費(fèi)過(guò)多精力，但是需要不斷優(yōu)化器件，以獲得最好的輸出性能。后面慢慢轉(zhuǎn)向耦合納米發(fā)電機(jī)，耦合納米發(fā)電機(jī)的難度要求高，首先要進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，然后將設(shè)計(jì)好的材料用于做器件，然后才能測(cè)試器件性能，以及研究在特定場(chǎng)景的應(yīng)用。

耦合納米發(fā)電機(jī)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)光電流極性調(diào)控，楊亞研究員發(fā)表在Nature Electronics北京發(fā)電機(jī)###http://www.1688baifa.com的論文[3]進(jìn)行了詳細(xì)的描述，通過(guò)兩種物理效應(yīng)（比如光電和熱電）結(jié)合光波長(zhǎng)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)光電流極性的翻轉(zhuǎn)，在不同的光波長(zhǎng)下展現(xiàn)出正和負(fù)的電流信號(hào)。耦合納米發(fā)電機(jī)的另外一個(gè)主要應(yīng)用場(chǎng)景就是多功能觸覺(jué)傳感器。楊亞研究員正進(jìn)行多功能觸覺(jué)傳感器相關(guān)的項(xiàng)目，所基于的前期技術(shù)來(lái)自此前他在Science Advances發(fā)表的論文[4]。在那篇論文中，他提出一種多功能傳感器。

楊亞研究員表示，多功能觸覺(jué)傳感器是機(jī)器人發(fā)展的核心關(guān)鍵零部件，也目前是中國(guó)亟需攻克的卡脖子技術(shù)難題之一。傳統(tǒng)觸覺(jué)傳感器只能實(shí)現(xiàn)單一傳感功能，比如只能傳感溫度或者壓力。而多功能觸覺(jué)傳感器既能傳感溫度、又能傳感壓力，還可進(jìn)行材料識(shí)別，未來(lái)智能機(jī)器人方面有巨大的應(yīng)用前景。當(dāng)機(jī)器手觸摸物體時(shí)，觸摸行為就會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)。通過(guò)對(duì)該信號(hào)的采集，就能知道這是什么材料。比如，觸摸到一個(gè)杯子馬上就知道它是杯子，觸摸到人的皮膚馬上就知道這是人的皮膚。

鑒于楊亞研究員在復(fù)合與耦合納米發(fā)電機(jī)方面做出的創(chuàng)新研究成果，2021 年他獲得了 Nano Energy 獎(jiǎng)。獲獎(jiǎng)理由為：Professor Ya Yang was selected for achieving significant progress in hybridized and coupled nanogenerators for realizing the multi-energy scavenging and multi-functional sensing applications. 楊亞研究員在復(fù)合與耦合納米發(fā)電機(jī)用于多能收集和多功能傳感方面做出了創(chuàng)新研究成果。北京發(fā)電機(jī)###http://www.1688baifa.com

楊亞研究員師從王中林院士和張躍院士，他的研究聚焦在基于鐵電材料的納米發(fā)電機(jī)和自驅(qū)動(dòng)傳感器系統(tǒng)，他出版了 1 本書和 200 余篇 SCI 論文，發(fā)表在Nature Electronics北京發(fā)電機(jī)###http://www.1688baifa.com、Nature Communications、Science Advances等雜志上，其中發(fā)表的論文被引用 14000 多次，H 指數(shù)為 74。研究結(jié)果被各類著名國(guó)際學(xué)術(shù)期刊或媒體如Nature Photonics、AAAS、Cell Press、The Guardian等作為亮點(diǎn)報(bào)道。擔(dān)任Nanoenergy Advances主編，InfoMat、Nano-Micro Letters、SmartMat、Nanoscale、iScience、Scientific Reports、Nanomaterials、Nanoscale Advances和Energies雜志編委委員，Research、iScience、Nanomaterials和Energies雜志Guest Editor，以及Nature、Nature Electronics、Nature Communications和Science Advances等期刊審稿人。他的研究興趣包括鐵電材料與器件、復(fù)合與耦合納米發(fā)電機(jī)以及自供電傳感器。

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產(chǎn)品標(biāo)簽：中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所楊亞研究員：深耕復(fù)合與耦合納米發(fā)電機(jī)|