研究目的
研究基于金和二氧化钛的新型金属/半导体摩擦纳米发电机中的光诱导摩擦电极性反转与增强现象,并探究涉及表面态与光电子的潜在机制。
研究成果
研究表明,基于金/二氧化钛的摩擦纳米发电机在光照下会出现电流极性反转和输出显著增强的现象,这归因于二氧化钛表面态的光电子积累及导电性提升。该发现为调控摩擦纳米发电机性能提供了新途径,并深化了对表面电荷动力学的认知,在能量收集和自供电设备领域具有应用潜力。
研究不足
该研究仅限于特定材料(金和二氧化钛),可能无法推广至其他金属/半导体组合。器件性能可能受湿度等环境因素影响,且增强机制依赖于可能随材料合成条件变化的表面态。优化薄膜厚度和接触面积可进一步提升输出效果。
1:实验设计与方法选择:
本研究采用金(Au)和二氧化钛(TiO?)作为摩擦层设计了一种摩擦纳米发电机(TENG),以探究光照对电流极性和输出的影响。研究方法包括器件制备、材料表征以及在黑暗和光照条件下测量电学输出。
2:样品选择与数据来源:
使用氟掺杂氧化锡玻璃(FTO)衬底。TiO?层通过前驱体溶液旋涂并退火处理。超薄金膜采用磁控溅射沉积。数据采集包括短路电流和开路电压。
3:实验设备与材料清单:
设备包括场发射扫描电子显微镜(FE-SEM;JSM-7800F)、X射线光电子能谱仪(XPS;ESCALAB 250Xi)、紫外分光光度计(UV-2550)、扫描探针显微镜系统(CSPM5500)、双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪(ME-L椭偏仪)、Keithley 6514系统静电计、数据采集卡(NI PCI-6259)、直线电机(WMUA512075-06-D)以及卤钨灯光源(CROWNTECH,CTTH -150W)。材料包括FTO玻璃、盐酸、异丙醇、钛酸四异丙酯、溅射用金以及海绵胶带。
4:0)、扫描探针显微镜系统(CSPM5500)、双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪(ME-L椭偏仪)、Keithley 6514系统静电计、数据采集卡(NI PCI-6259)、直线电机(WMUA512075-06-D)以及卤钨灯光源(CROWNTECH,CTTH -150W)。材料包括FTO玻璃、盐酸、异丙醇、钛酸四异丙酯、溅射用金以及海绵胶带。 实验步骤与操作流程:
4. 实验步骤与操作流程:FTO衬底经洗涤剂和乙醇超声清洗后用氮气干燥。制备TiO?前驱体并旋涂于FTO上,随后在450°C下退火。在氩气环境下以14 W功率溅射金膜50秒至玻璃基底。添加海绵胶带缓冲层并连接铜线至电极。通过直线电机以2 Hz频率进行周期性接触-分离操作,钨灯通过开孔提供光照。
5:数据分析方法:
测量并分析黑暗与光照条件下的输出电流和电压变化。利用XPS、紫外吸收、原子力显微镜(AFM)和椭偏仪数据表征材料特性。通过施加偏压的导电AFM评估导电性。
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Field Emission Scanning Electron Microscopy
JSM-7800F
JEOL
Characterizing the cross-section of the glass/FTO/TiO2 structure to measure thickness and morphology.
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X-ray Photoelectron Spectroscopy
ESCALAB 250Xi
Thermo Fisher Scientific
Analyzing surface information of TiO2 and Au films using Al Kα radiation.
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Ultraviolet Spectrometer
UV-2550
Shimadzu
Measuring the absorption spectrum of TiO2 films to determine optical properties.
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System Electrometer
Keithley 6514
Keithley
Collecting data on short-circuit current and open-circuit voltage of the TENG.
-
Scanning Probe Microscope System
CSPM5500
Being Nano Instruments
Characterizing surface morphology and roughness of TiO2 and Au films.
-
Dual Rotating-Compensator Mueller Matrix Ellipsometer
ME-L ellipsometer
Measuring the thickness of Au films through ellipsometry.
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Data Acquisition Card
NI PCI-6259
National Instruments
Acquiring and processing electrical data from the TENG device.
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Linear Motor
WMUA512075-06-D
Controlling the contact and separation process of the TENG with periodic motion.
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Tungsten Halogen Light Source
CTTH -150W
CROWNTECH
Illuminating the TENG device to study photoinduced effects.
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