压电纳米发电机 (PENG) 中的二维材料

随着技术的进步，为其提供动力的技术也在进步。多年来，已经开发了许多能量产生、能量存储和能量收集设备，以多种方式为大型电子系统和单个电子设备供电。随着社会朝着工业 4.0 和物联网 (IoT) 的方向发展，有机会创造多种类型的超小型设备，这些设备可用于自动化和远程监控以及远程医疗应用。

为小型设备供电——尤其是在远程应用中——需要非常规的自供电机制才能自给自足。近年来，许多不同的小型能量收集器（称为纳米发电机）引起了人们对为医疗、远程监控和物联网应用中的小型设备供电的兴趣。这些设备的小尺寸意味着它们对于它们供电的小型设备来说不会太笨重。尽管它们体积小，但它们仍然可以为许多设备提供足够的电力，以便使用它们的自然操作环境进行自充电。在某些情况下，也可能使用纳米发电机进行大规模收集——如果许多单独的设备被集成到一个单一的收集系统中——然而，从广泛的研究角度来看，这还没有被研究过。

虽然有许多不同的纳米发电机，但它们都用于不同的操作环境，因为电荷的产生通常受周围环境刺激的控制。一种更有前途、被广泛讨论和广泛研究的纳米发电机是压电纳米发电机——通常简称为 PENG。

使用压电效应

PENG 利用压电效应产生电荷。压电效应是指在材料上施加应力/负载时会产生电荷。压电效应是一种可逆效应，因此一旦消除应力，电荷就会停止。这也意味着压电效应可以在另一个方向发挥作用，在该方向上可以向材料施加电压，导致材料的原子结构变形并产生应力。

就具体机制而言，正是离子在原子水平上——在固态晶格内——的重排产生了压电性。大多数压电材料在本质上是无机的，如果不是，则它们具有某种形式的晶体结构（无机材料也具有这种结构）。这意味着（大部分）压电在其原子晶格中具有规则且重复排列的有序阳离子和阴离子。正是这种规则图案晶格中离子的变形产生了电荷。虽然材料保持整体中性电荷 - 材料的整体电荷不会改变，只有原子水平的局部电荷分布发生变化。

因此，当向压电材料施加应力/负载时，带相反电荷的离子从它们在晶格内的原始位置移动到它们彼此更靠近的点。这种重排改变了晶格内的电荷平衡并产生了外部电场。电荷不平衡的影响也渗透到整个材料中。结果是在晶体的一个外表面上出现净电荷（正电荷或负电荷）。这随后会在带相反电荷的晶面上产生电压。可以利用压电电荷，但是当应力刺激被移除时，晶格恢复到其自然状态并且电压停止。

在某些情况下——例如可穿戴电子设备中肢体的运动、植入式电子设备中内脏器官的运动，或遥感/监测应用中局部周围环境的运动，仅举几例——运动会在整个系统中产生压力然后可以利用原子尺度的压电材料。

在许多使用 PENG 的情况下，可以利用感应应力和由此产生的电荷来为其所连接的小型设备供电。然而，在某些情况下——主要是传感——纳米发电机可以同时充当供电设备和传感设备，因为电荷的产生可以作为传感器在承重/压力传感情况下的可用和可检测输出.

为什么二维材料对 PENG 能量收集器显示出前景

出于多种原因，二维材料对 PENG 能量收集器显示出前景。首先，二维材料固有的薄和小尺寸使得能够创建超小型收集设备，这些设备小到足以为物联网系统中的非常小的节点供电，为远程监控应用中的非常小的传感器供电，并为小型植入式或可穿戴医疗设备。相比之下，体积较大的材料会创建对于这些类型的应用而言太大且不可行的收集/电力系统。这就是为什么您经常看到纳米材料被吹捧用于可穿戴/植入式电子产品、物联网和遥感应用。

另一个方面是许多二维材料的机械强度和柔韧性。由于压电效应是由某种程度的机械变形引起的，因此产生电流的材料需要坚固耐用并能够承受许多弯曲循环。二维材料固有的薄度意味着它们具有非常高的柔韧性。虽然石墨烯具有最高的柔韧性，但无机材料与其体积较大的对应物以及一般的其他无机材料相比具有相对较高的柔韧性。当这种灵活性与高机械强度相结合时，这意味着二维材料可以承受很大的机械应力，从而使 PENG 可以承受许多弯曲循环，进而能够产生更长时间的电荷比使用其他材料时。

然后，还有表现出压电特性的能力。传统上，压电特性存在于一系列无机材料中，包括天然和合成晶体材料、合成陶瓷、III-V 族和 II-VI 族半导体，以及各种金属氧化物复合物。许多不同的二维材料也具有压电特性，其中一些是半导体材料。就 PENG 感兴趣的材料而言，目前有六方氮化硼 (h-BN)、各种半导体过渡金属二硫族化物、III 族和 IV 族单硫族化物以及化学改性的石墨烯——因此它在本质上更具半导体性，而不是完全导电因为它自然没有电子带隙——是首选。

使用二维材料 PENG 需要注意的因素

虽然存在使用 2D 材料创建 PENG 的潜力，但它们与任何材料一样，需要以正确的方式使用。在许多情况下，压电性只出现在单层和少数层状二维材料中。一旦超出这个范围，产生的压电水平就不足以为设备供电。随着更多 2D 层的添加，这种减弱效应归因于应变引起的晶格畸变以及随之而来的晶体中的电荷极化。层数越多，二维材料的柔韧性越差，因此感应应变量越低，因此，晶体极化程度和产生的电荷就越低。

一些二维材料还发现了一些其他有趣的现象，称为层依赖效应。虽然它并不适用于所有二维材料，但影响二维材料压电性能的不仅是层数，还有奇数层还是偶数层。这是因为，在某些情况下，奇数层具有压电特性，但一旦层数变为偶数，另一层就会平衡，从而导致压阻特性。一旦添加另一层，这就会恢复压电特性，依此类推，直到层变得太大而无法显示压电特性

尽管如此，尽管需要确保以正确的方式使用 2D 材料，但仍有几种 2D 材料可以利用，包括一些体积较大的 3D 无机材料不显示压电特性的材料。现在也有很多方法可以在商业层面上创建单层和几层二维材料，因此这些挑战并不像几年前那么严重。因此，在制造这些小型纳米发电机时，有机会摆脱传统的压电材料。

结论

压电效应是一系列散装无机材料中的常见现象，但也在一系列二维材料中观察到。可产生压电电荷的二维材料，可用于一系列 PENG，为小型设备供电。在 PENG 中使用二维材料有很多好处，包括高柔韧性和机械强度，以及固有的薄度，而且 PENG 为远程应用中的小规模能量收集提供了很大的潜力——无论是物联网、监控、或医疗应用。

审核编辑 黄昊宇