柔性基板上的可穿戴式觸摸傳感器。圖片來源：韓國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院（KIST）

在物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 驅(qū)動(dòng)的超連接世界中，可以隨時(shí)隨地發(fā)送和接收信號(hào)和信息的超微型、低功耗傳感器和設(shè)備將成為人們生活中不可或缺的一部分。一個(gè)重要的問題是不斷地為連接到系統(tǒng)的無數(shù)電子設(shè)備供電。這是因?yàn)槭褂脗鹘y(tǒng)的充電和更換方式很難減小電池的尺寸和重量。

這個(gè)問題的一個(gè)可能的解決方案是部署摩擦發(fā)電機(jī)。它們通過在不同材料之間的接觸中產(chǎn)生摩擦電，產(chǎn)生能量，就像產(chǎn)生靜電一樣。

由 Seoung-Ki Lee 博士領(lǐng)導(dǎo)的韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院 (KIST) 的一組研究人員開發(fā)了一種觸摸傳感器，該傳感器通過起皺結(jié)構(gòu)的二硫化鉬將摩擦起電效率提高了 40% 以上。這一突破是與全北國(guó)立大學(xué)先進(jìn)材料工程教授 Chang-Kyu Jeong 合作的結(jié)果。

一般的摩擦發(fā)電機(jī)不能用于可穿戴電子設(shè)備，因?yàn)樗鼈冃枰�過大和過重才能提高其產(chǎn)生足夠電力的能力。目前正在進(jìn)行的研究涉及應(yīng)用原子級(jí)薄且具有優(yōu)異物理特性的二維半導(dǎo)體材料作為產(chǎn)生摩擦電的活性層。

產(chǎn)生的摩擦電強(qiáng)度根據(jù)接觸的兩種材料的類型而有所不同。在過去對(duì)二維材料的研究中，電荷與絕緣材料的轉(zhuǎn)移并不順利，大大降低了摩擦電產(chǎn)生的能量輸出。

在目前的研究中，聯(lián)合研究小組調(diào)整了二維半導(dǎo)體二硫化鉬（MoS 2 ）的性質(zhì)，并改變了其結(jié)構(gòu)以提高摩擦發(fā)電效率。該材料在半導(dǎo)體制造過程中應(yīng)用的強(qiáng)熱處理過程中被弄皺，這導(dǎo)致材料具有褶皺，內(nèi)部應(yīng)力已施加到該材料上。這些褶皺增加了每單位面積的接觸面積，由此產(chǎn)生的表面皺褶的 MoS 2器件可以產(chǎn)生比平面對(duì)應(yīng)物多約 40% 的功率。此外，即使在 10,000 次重復(fù)后，摩擦電輸出在循環(huán)實(shí)驗(yàn)中也保持在穩(wěn)定水平。

通過將皺巴巴的二維材料應(yīng)用于觸摸傳感器，例如用于觸摸板或觸摸屏顯示器的觸摸傳感器，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出了一種輕巧靈活的自供電觸摸傳感器，無需電池即可操作。這種發(fā)電效率高的觸摸傳感器對(duì)刺激敏感，即使在很小的力下也能識(shí)別觸摸信號(hào)，無需任何電力。

KIST 的 Seoung-Ki Lee 博士說：“控制半導(dǎo)體材料的內(nèi)應(yīng)力是半導(dǎo)體行業(yè)的一項(xiàng)有用技術(shù)，但涉及二維半導(dǎo)體材料合成和應(yīng)用的材料合成技術(shù)尚屬第一次。內(nèi)應(yīng)力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)...它提出了一種通過將材料與聚合物結(jié)合來提高摩擦發(fā)電效率的方法，它將成為開發(fā)基于雙-的下一代功能材料的催化劑次元物質(zhì)�！�