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热烈祝贺许程老师发表第二篇AM论文

许程老师是中国矿业大学能源、材料与物理学部一名优秀的老师,目前的研究方向是摩擦起电和纳米发电机,其中纳米发电机能把环境中微弱的动能转变为电能,这是一个极具发展潜力的科学领域,他凭借着吃苦、敢于困难做斗争的干劲以及敢于解决问题的精神,不断的探索和解决有关摩擦起电领域的问题,最终发表了第二篇AM论文(影响因子21.95,相关成果以“Raising the Working Temperature of a Triboelectric Nanogenerator by Quenching down Electron Thermionic Emission in Contact-Electrification”为题发表在Adv. Mater.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201803968)。

摩擦起电的原理是电子转移,由于接触起电(摩擦起电)常常会导致放电,曾被认为是一种负面效应。但是,基于接触起电和静电感应,利用麦克斯韦位移电流原理发明的摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogeneratorTENG),却可以收集环境中多种形式的动能并转化为电能,展现出了良好的应用前景。一般认为摩擦起电只在常温下发生,目前几乎所有的TENG也都仅在该温度范围内适用。这就提出了一个有趣的问题,高温下可以产生摩擦起电吗?实验表明在500 K的温度下TENG的电压就会迅速下降,这种下降可能源于高温使得其中的聚合物摩擦电材料表面受到了损伤。研究者在前期研究(Adv. Mater. 2018, 30, 1706790)中制备出了一种不含聚合物的TENG,尽管由于发电量低无法实现真正应用,但是由于其可以承受最高673 K的温度,因此就为揭示高温条件下摩擦起电的机理以及发明具有实用价值的耐高温TENG提供了可能性。如果能够制备出耐高温TENG,将有利于进一步拓展其应用领域,例如可用于地球上的极端高温环境,也可为即将到来的太空及外星探索,有着非常光明的前景。之所以能够起电是因为物质的表面存在某种特殊的物质能够让电子稳定的存在与物质的表面。怀揣着解决这样问题的决心,许程老师就投入了科学研究的工作中。

图(1)

然而在科研的道路上并不是一帆风顺的,存在着各种各样的挑战,因为这不是一个特别热门的领域,所以没有一个专门的平台能让科研人员去研究它,在许程老师的面前尽管有这样大的拦路石,但他并没有胆怯,而是投入了一年的时间去搭建一个平台,在此基础上他又用了半年的时间全身心的投入到研究的工作之中,功夫不负有心人,经过不懈的努力之后,许程老师在摩擦起电领域取得了突破,分别提出了高温下接触起电机理的表面态模型(图1)和电子云-势阱模型(图2),其中,表面态模型可用来解释金属-电介质以及电介质-电介质间的接触起电。电子云-势阱模型则可以解释用能带结构无法描述的两种固体间的接触起电,该模型同时揭示除了热电子发射的影响外,原子热振动也会对接触起电产生影响。



                                                                              图(2

高温条件下解释接触起电机理的表面态模型。a-c)金属和电介质(En低于EF)在接触前、接触时和分开后的电荷转移情况。Φ,金属的功函;EF,费米能级;EVAC,真空能级;EC,导带;En,表面态的中间能级;EV,价带;d-f)金属和电介质(En高于EF)在接触前、接触时和分开后的电荷转移情况;g-i)两种电介质(前者的En高于后者)在接触前、接触时和分开后的电荷转移情况。

高温条件下解释接触起电机理的电子云-势阱模型。a-c)无法简单用能带结构描述的两种固体的两个原子在接触前、接触时和分开后的电荷转移情况;d-f)当两个原子接触距离分别为d0, dmindmax时原子热振动对电荷转移的影响。

在取得如此的成就的背后不仅有许程老师的呕心沥血,更离不开学校给予的巨大帮助,中国矿业大学提供了优秀拔尖教师海外访问项目,许程老师正是抓住了这样的一个机会,获得了学校提供的两年的资金支持,为自己的科研添能加力。许程老师根据自己的实际经历向正在学习的学生以及正投身于科研的研究人员分享了自己的心得体会,他说到参与科研的过程中其实是培养解决问题的能力,在这个过程中会学习的许多的东西,做任何事情都要愿意花时间精力去做!成功是必然的!