隨著技術的進步，為其提供動力的技術也在進步。多年來，已經(jīng)開發(fā)了許多能量產(chǎn)生、能量存儲和能量收集設備，以多種方式為大型電子系統(tǒng)和單個電子設備供電。隨著社會朝著工業(yè) 4.0 和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的方向發(fā)展，有機會創(chuàng)造多種類型的超小型設備，這些設備可用于自動化和遠程監(jiān)控以及遠程醫(yī)療應用。

為小型設備供電——尤其是在遠程應用中——需要非常規(guī)的自供電機制才能自給自足。近年來，許多不同的小型能量收集器（稱為納米發(fā)電機）引起了人們對為醫(yī)療、遠程監(jiān)控和物聯(lián)網(wǎng)應用中的小型設備供電的興趣。這些設備的小尺寸意味著它們對于它們供電的小型設備來說不會太笨重。盡管它們體積小，但它們?nèi)匀豢梢詾樵S多設備提供足夠的電力，以便使用它們的自然操作環(huán)境進行自充電。在某些情況下，也可能使用納米發(fā)電機進行大規(guī)模收集——如果許多單獨的設備被集成到一個單一的收集系統(tǒng)中——然而，從廣泛的研究角度來看，這還沒有被研究過。

雖然有許多不同的納米發(fā)電機，但它們都用于不同的操作環(huán)境，因為電荷的產(chǎn)生通常受周圍環(huán)境刺激的控制。一種更有前途、被廣泛討論和廣泛研究的納米發(fā)電機是壓電納米發(fā)電機——通常簡稱為 PENG。

使用壓電效應

PENG 利用壓電效應產(chǎn)生電荷。壓電效應是指在材料上施加應力/負載時會產(chǎn)生電荷。壓電效應是一種可逆效應，因此一旦消除應力，電荷就會停止。這也意味著壓電效應可以在另一個方向發(fā)揮作用，在該方向上可以向材料施加電壓，導致材料的原子結構變形并產(chǎn)生應力。

就具體機制而言，正是離子在原子水平上——在固態(tài)晶格內(nèi)——的重排產(chǎn)生了壓電性。大多數(shù)壓電材料在本質(zhì)上是無機的，如果不是，則它們具有某種形式的晶體結構（無機材料也具有這種結構）。這意味著（大部分）壓電在其原子晶格中具有規(guī)則且重復排列的有序陽離子和陰離子。正是這種規(guī)則圖案晶格中離子的變形產(chǎn)生了電荷。雖然材料保持整體中性電荷 - 材料的整體電荷不會改變，只有原子水平的局部電荷分布發(fā)生變化。

因此，當向壓電材料施加應力/負載時，帶相反電荷的離子從它們在晶格內(nèi)的原始位置移動到它們彼此更靠近的點。這種重排改變了晶格內(nèi)的電荷平衡并產(chǎn)生了外部電場。電荷不平衡的影響也滲透到整個材料中。結果是在晶體的一個外表面上出現(xiàn)凈電荷（正電荷或負電荷）。這隨后會在帶相反電荷的晶面上產(chǎn)生電壓?？梢岳脡弘婋姾?，但是當應力刺激被移除時，晶格恢復到其自然狀態(tài)并且電壓停止。

在某些情況下——例如可穿戴電子設備中肢體的運動、植入式電子設備中內(nèi)臟器官的運動，或遙感/監(jiān)測應用中局部周圍環(huán)境的運動，僅舉幾例——運動會在整個系統(tǒng)中產(chǎn)生壓力然后可以利用原子尺度的壓電材料。

在許多使用 PENG 的情況下，可以利用感應應力和由此產(chǎn)生的電荷來為其所連接的小型設備供電。然而，在某些情況下——主要是傳感——納米發(fā)電機可以同時充當供電設備和傳感設備，因為電荷的產(chǎn)生可以作為傳感器在承重/壓力傳感情況下的可用和可檢測輸出.

為什么二維材料對 PENG 能量收集器顯示出前景

出于多種原因，二維材料對 PENG 能量收集器顯示出前景。首先，二維材料固有的薄和小尺寸使得能夠創(chuàng)建超小型收集設備，這些設備小到足以為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的非常小的節(jié)點供電，為遠程監(jiān)控應用中的非常小的傳感器供電，并為小型植入式或可穿戴醫(yī)療設備。相比之下，體積較大的材料會創(chuàng)建對于這些類型的應用而言太大且不可行的收集/電力系統(tǒng)。這就是為什么您經(jīng)常看到納米材料被吹捧用于可穿戴/植入式電子產(chǎn)品、物聯(lián)網(wǎng)和遙感應用。

另一個方面是許多二維材料的機械強度和柔韌性。由于壓電效應是由某種程度的機械變形引起的，因此產(chǎn)生電流的材料需要堅固耐用并能夠承受許多彎曲循環(huán)。二維材料固有的薄度意味著它們具有非常高的柔韌性。雖然石墨烯具有最高的柔韌性，但無機材料與其體積較大的對應物以及一般的其他無機材料相比具有相對較高的柔韌性。當這種靈活性與高機械強度相結合時，這意味著二維材料可以承受很大的機械應力，從而使 PENG 可以承受許多彎曲循環(huán)，進而能夠產(chǎn)生更長時間的電荷比使用其他材料時。

然后，還有表現(xiàn)出壓電特性的能力。傳統(tǒng)上，壓電特性存在于一系列無機材料中，包括天然和合成晶體材料、合成陶瓷、III-V 族和 II-VI 族半導體，以及各種金屬氧化物復合物。許多不同的二維材料也具有壓電特性，其中一些是半導體材料。就 PENG 感興趣的材料而言，目前有六方氮化硼 (h-BN)、各種半導體過渡金屬二硫族化物、III 族和 IV 族單硫族化物以及化學改性的石墨烯——因此它在本質(zhì)上更具半導體性，而不是完全導電因為它自然沒有電子帶隙——是首選。

使用二維材料 PENG 需要注意的因素

雖然存在使用 2D 材料創(chuàng)建 PENG 的潛力，但它們與任何材料一樣，需要以正確的方式使用。在許多情況下，壓電性只出現(xiàn)在單層和少數(shù)層狀二維材料中。一旦超出這個范圍，產(chǎn)生的壓電水平就不足以為設備供電。隨著更多 2D 層的添加，這種減弱效應歸因于應變引起的晶格畸變以及隨之而來的晶體中的電荷極化。層數(shù)越多，二維材料的柔韌性越差，因此感應應變量越低，因此，晶體極化程度和產(chǎn)生的電荷就越低。

一些二維材料還發(fā)現(xiàn)了一些其他有趣的現(xiàn)象，稱為層依賴效應。雖然它并不適用于所有二維材料，但影響二維材料壓電性能的不僅是層數(shù)，還有奇數(shù)層還是偶數(shù)層。這是因為，在某些情況下，奇數(shù)層具有壓電特性，但一旦層數(shù)變?yōu)榕紨?shù)，另一層就會平衡，從而導致壓阻特性。一旦添加另一層，這就會恢復壓電特性，依此類推，直到層變得太大而無法顯示壓電特性

盡管如此，盡管需要確保以正確的方式使用 2D 材料，但仍有幾種 2D 材料可以利用，包括一些體積較大的 3D 無機材料不顯示壓電特性的材料?，F(xiàn)在也有很多方法可以在商業(yè)層面上創(chuàng)建單層和幾層二維材料，因此這些挑戰(zhàn)并不像幾年前那么嚴重。因此，在制造這些小型納米發(fā)電機時，有機會擺脫傳統(tǒng)的壓電材料。

結論

壓電效應是一系列散裝無機材料中的常見現(xiàn)象，但也在一系列二維材料中觀察到?？僧a(chǎn)生壓電電荷的二維材料，可用于一系列 PENG，為小型設備供電。在 PENG 中使用二維材料有很多好處，包括高柔韌性和機械強度，以及固有的薄度，而且 PENG 為遠程應用中的小規(guī)模能量收集提供了很大的潛力——無論是物聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控、或醫(yī)療應用。

審核編輯黃昊宇