Nat.Commun. ｜ 清华大学杨诚团队在解释压电-摩擦电复合信号起源和解耦方面取得新进展

清华大学杨诚团队提出了一种从摩擦电 - 压电复合信号中分离压电信号的方法，实现了对压电材料性能的准确评估，相关成果发表于《自然·通讯》期刊。 具体介绍如下：研究背景接触起电（CE）是普遍自然现象，可在处于不同物理状态（固体、液体和气体）的任何材料间发生。此前研究证实CE能以多种运动形式发生在压电纳米发电机（PENG）中，包括界面剪切摩擦、纳米填料滑移、预先存在的静电荷和接触摩擦。接触物体和压电器件产生的摩擦电信号可能很强，使得压电器件输出中含有较大比例的摩擦电成分。但以往很多工作忽略这部分摩擦电信号贡献，将压电器件输出视为单一压电信号，导致其性能可能被夸大。此前缺乏可靠方法区分压电信号和摩擦电信号，阻碍揭示复合信号起源过程，无法正确分析摩擦电信号影响和评估压电效应真实贡献，最终可能导致压电材料性能被错误评价。因此，开发从压电信号中识别和提取压电分量的方法对定量评估压电材料性能尤为重要。研究方法研究人员以常见商用PVDF压电器件为模型对象，发现混合输出中摩擦电信号所占比例较大，对器件压电性能评估影响较大。创新地引入器件的受力 - 时间曲线作为解耦摩擦电信号和压电信号的手段，可完整分离出压电信号和摩擦电信号各自的分量。通过比较力 - 时间和电信号曲线发现，在器件与物体接触前后，记录的电信号属于摩擦电贡献，而相互接触之后得到的电信号则归因于压电效应。研究成果成功从混合信号输出中定量提取出了压电电荷转移并计算出有效压电系数（d33），该结果与其他方法测量的结果一致。通过引入器件的受力曲线，可以清晰地分离混合信号，且精度仅取决于力信号和电信号的分辨率。研究意义提供了一种在实际测量中阐明真实压电性能的有效方法，对于公平且正确地评估压电材料至关重要。阐明了摩擦电信号和压电信号的耦合方式，为科学地设计和分析摩擦电 - 压电纳米发电机提供了理论支撑。研究团队与支持论文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院材料研究院杨诚副教授和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士，第一作者为清华大学深圳国际研究生院2018级材料工程硕士生陈超杰。论文作者还包括深圳国际研究生院2020级硕士赵世龙和博士后王方成、中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员、香港中文大学訾云龙教授。该研究得到了国家自然科学基金委、广东省珠江人才计划、广东省科技厅等单位的支持。论文链接https://www.nature.com/articles/s41467-022-29087-w