王中林院士：壓電電子學效應及奈米發電機帶來能源與感測新革命

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王中林，中國科學院外籍院士、歐洲科學院院士、加拿大工程院外籍院士。現任中國科學院北京奈米能源與系統研究所所長、中國科學院大學講席教授、奈米科學與技術學院院長、佐治亞理工學院終身校董事講席教授。研究方向為奈米能源技術、自驅動感測技術與新型器件半導體器件等。

2007年，我們在國際上

首次提出

壓電電子學原創性概念和基本理論，並形成了相應研究領域。由於具有潛在的應用前景，壓電電子學引起國際學術界和企業界的廣泛關注，形成諸多

熱點研究領域

，例如奈米發電機等。這些研究有望改變人類能源的現有格局，也將解決國家戰略新興行業重大需求。

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壓電電子學與感測器件

壓電電子學利用壓電效應改變金屬—半導體的

介面勢壘

和p-n結區輸運特性，從而實現外界環境與電子器件直接相互作用。壓電電子學效應是利用應變引起的介面極化電荷調製介面處能帶結構，進而有效地調節和控制介面或結區載流子輸運過程的

物理效應

。壓電光電子學效應是利用壓電電勢來控制載流子產生、分離、傳輸和複合過程，進而提高光電子器件效能的效應。這兩種物理效應引起了全新的物理現象和

潛在應用

，例如可以變革傳統三極體的物理結構、大大提高光子探測器、太陽能電池及LED的效能等（圖1）。相關研究已成為國際上奈米科學技術研究的前沿和熱點。

圖1 壓電電子學與壓電光電子學的應用領域

壓電電子學器件的特效能很好地順應後摩爾定律時代電子學發展趨勢。以

微電子技術

為核心的資訊科技的發展促成並帶動了20世紀的

資訊科技革命

，使人類生產和生活方式發生革命性變化。在後摩爾定律時代，電子器件效能朝著個性化、可移動化、柔軟化、感測化及自供能化等方向發展。未來新一代資訊科技必將沿著器件高效能化及功能化兩種趨勢的交叉方向繼續向前發展。

研究表明，奈米壓電材料、壓電電子學/壓電光電子學器件及基於奈米結構陣列的主動式感測系統在解決這些問題方面展示出引人注目的技術優勢和應用前景。

壓電電子學被美國Sandia國家實驗室列入在後場效應三極體（FET）時代與量子電子學、自旋電子學等平行的

新生顛覆型技術

。壓電電子學器件與矽基技術的有效整合有望在人機介面、奈米機器人的感測和驅動、智慧化與個人化的電子簽名、智慧微納機電系統、奈米機器人和能源科學等領域提供獨特的應用。

總之，壓電電子學研究具有新的物理內涵，可構建新的

學科體系

，可構築新的資訊材料與器件，引發新的產業變革。既有科學上的重大原始創新，也將解決

國家戰

略新興行業

重大需求。

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奈米發電機

2006年，筆者團隊首次發明了壓電式奈米發電機。2012年，筆者首次基於摩擦起電和靜電感應效應發明了

摩擦奈米發電機

（TENG）。TENG可以有效地收集自然界中各種來源的機械能量，是收集低頻、低振幅機械能的一個高效且顛覆性技術，為解決新時代分散式電子器件的能源供應提供了一種全新的

微納能源範例

。

TENG是利用介質材料的表面電荷在週期性外力作用下產生交變的電場驅動外電路電子週期性的流動，從而對外產生電能的發電技術。筆者透過在麥克斯韋方程組位移電流一項中引入介質極化變化產生的電流這一項Ps/（tPs為介質極化向量，其主要是由於表面電荷的存在引起的，是獨立於電場的存在），為TENG找到了

理論源頭

。TENG是動生麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術後，在微納能源與感測方面的另一重大應用。基於此，筆者發展了具有加速運動介質中的力-電-磁3項耦合的

電磁理論

：動生麥克斯韋方程組。

基於其獨特優勢，TENG在以下5個方面的應用具有重大戰略意義（圖2）。

圖2 奈米發電機的五大應用領域和相關覆蓋的行業

1）微納能源。

隨著世界逐漸進入以物聯網、感測網路、大資料、機器人和人工智慧等為代表的新時代，數以萬億計且廣泛分佈的電子器件對能源的需求和能源結構提出了新的挑戰。TENG具有質量輕、體積小、材料選擇廣泛、結構簡單、易安裝、免維護等特點，且多樣化的工作模式可以

適應不同的工作場景

，已經被證實能夠將人體和環境中的機械能收集起來，實現電子器件和感測器的可持續工作，正是解決新時代分散式電子器件供能的

理想解決方案

。

TENG在收集環境低頻機械能方面展現出獨特的優勢，在植入式醫療、可穿戴電子以及物聯網器件的供能方面潛力巨大。基於TENG實現電子器件的自驅動化可以

擺脫電源的制約

，為新時代分散式電子器件的供能提供了新的正規化，是未來物聯網發展微小整合化、無線移動化、功能智慧化的

重要技術支撐

。

2）自驅動感測。

TENG不但可用於微納能源收集，還可用作自驅動感測器，即無需外部電源驅動，是一種實現

自供電功能

的新型感測技術手段。摩擦電式感測器具有多形態、低成本的優勢，在人體運動/健康、生物醫療、人機互動、環境監測及基礎設施安全等領域展現出廣闊的應用前景。透過與訊號處理和傳輸模組整合，可以進一步實現摩擦電式自供電系統的穩定執行和無線感測。

基於TENG的自驅動感測技術的提出，不僅推進了TENG的實際應用與產業化實施，還將為中國傳統產業轉型與技術升級提供支撐，並有望推動當代經濟結構調整和轉型。

3）藍色能源。

目前，海洋能開發的主要技術路徑是將海洋能量轉化為發電機裝置中機構的機械能，經過傳動裝置的調理，進一步轉化為電磁式發電機的動力而發電。此路徑技術複雜、效率低、維護和執行成本高、裝置可靠性差，制約其大規模商業化開發利用和發展。

而TENG對於收集無序、低頻海洋能源

具有顯著優勢

，帶來了海洋能高效開發利用的全新機遇和未來，有望構建劃時代的智慧海洋，高效利用海洋能源、生物、礦場、水等稀缺資源，以及全方位獲取輻射、汙染、洋流、軍事等重要資訊，為碳中和提供新的正規化。

4）高壓電源。

TENG的高電壓、低電流特性使其可作為新型高壓電源，具有較好便攜性和安全性。基於TENG的新型高壓電源通常無需複雜的電源轉換器，可極大簡化整個系統，且較低的電流對人員和儀器安全威脅較小，在大幅減小高壓電源體積的前提下，兼具輕巧、實用、方便且高效的優點。

因此，開發基於TENG的新型高壓電源

具有極大應用價值

，在高階生物與化學分析儀器、廢棄物回收和空氣淨化方面展現出應用前景。此外，基於TENG的高壓電源在自驅動靜電紡絲、微流泵、微流控、微等離子體激發及靜電驅動等方面應用潛力很大。開發基於TENG的新型高壓電源可滿足電子裝置小型化、高效化和高效能化的新時代需求。

5）探測介面起電機理的新型探針。

利用單電極的TENG，發展出了探索液體—固體介面電子轉移的新型測試方法。

總之，奈米發電機在微納能源、自驅動感測/系統、藍色能源及新型高壓電源方面

具有廣闊應用前景

。每次新能源技術突破都帶動人類文明向前巨大邁進，有理由相信，TENG技術也將改變人類能源現有格局，為人類文明進步帶來

巨大推動力

。

本文經授權轉載自科技導報（ ID： STReview），轉載請聯絡出處。原文發表於《科技導報》2022年

第17期

。

王中林院士相關著作

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王中林精選論文摘要集

ISBN 978-7-03-071337-7

王中林 著

北京：科學出版社，2022。01

發表科學論文是科研工作者進行學術交流和科學傳承的重要途徑。在過去40年的研究歷程中，作者從事過從物理學、電子顯微學到材料學，再到能源學等多個學科和領域的研究，歷經了從理論到實驗，從科學到技術的交叉研究歷程。透過梳理該論文摘要集所收錄的代表作，作者希望能達到以下幾個目的：一是能夠呈現出作者過去40年來的研究歷程和思維方式的演變和突變過程；二是給出如何創立一個新領域的系統性佈局和發展一個交叉學科的創新性思維；三是還原在2006年以前的二十多年間，為找到一個屬於作者自己的嶄新領域而苦苦尋求及知識積累的漫長過程；四是體現在研究方向上，在遵循“一棵樹”的主導理念下，如何實現“三年一小變、五年一大變”的目標；最後是反映科研工作追求螺旋式上升、不斷提高的理念。收錄的論文基於以下五個標準：提出新的科學思想或理念，提出新的物理效應，開啟一個新的研究領域，在建立一個研究領域過程中具有標誌性的突出貢獻，展現原創技術在一些領域的首次示範應用。在篩選這些代表作中，作者並沒有考慮發表這些文章的期刊的影響因子，而是斟酌這些文章對學術領域和實際產業是否具有實質性貢獻。希望這部論文摘要集能夠為青年學生和年輕學者展現出作者“從0到1”原創性研究的思維方法和分享作者“十年磨一劍”與“千里走單騎”的科研歷程。

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摩擦奈米發電機

ISBN 978-7-03-051749-4

王中林

等

著

北京：科學出版社，2017。 03

摩擦奈米發電機是一項顛覆性技術並具有史無前例的輸出效能和優點。與經典電磁發電機相比，摩擦奈米發電機在低頻下的高效能是同類技術無法比擬的。同時它也可以作為自驅動的感測器來感知由機械觸發所產生的靜態和動態過程的資訊。本書是首部系統全面地介紹摩擦奈米發電機的四種工作模式，以及相應的理論模型和計算、器件設計及它們在回收人體活動、振動、風能、海洋能、水流等動能中的廣泛應用的專著。同時也系統介紹了摩擦奈米發電機在移動/穿戴/柔式電子產品、生物醫學器件、感測網路、物聯網、環境保護和感測、基礎設施檢查和藍色能源等方面的應用例項。重要的是，王中林最近發現麥克斯韋位移電流第二分量是奈米發電機的理論根基。奈米發電機將是麥克斯韋位移電流繼電磁波理論和技術後在能源與感測方面的另一重大應用，有可能引領技術革新並深刻改變人類社會。

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壓電電子學與壓電光電子學

ISBN 978-7-03-035790-8

王中林

著

北京：科學出版社，2014。 2

壓電電子學和壓電光電子學的基本概念和原理由王中林教授研究組分別於2007年和2010年首次提出。在人機介面、主動式感測器、主動式柔性電子學、微型機器人、智慧電子簽名、智慧微納機電系統以及能源技術等領域中，壓電電子學和壓電光電子學具有廣闊的應用前景。本書介紹壓電電子學和壓電光電子學的物理原理、基本理論以及基本器件單元的設計、製造、測試和應用；共分11章，包括壓電電子學和壓電光電子學導論、纖鋅礦結構半導體材料中的壓電勢、壓電電子學基本理論、壓電電子學電晶體、壓電電子學邏輯電路及運算操作、壓電電子學機電儲存器、壓電光電子學理論、壓電光電子學效應在光電池中的應用、壓電光電子學效應在光電探測器中的應用、壓電光電子學效應對發光二極體的影響、壓電光電子學效應在電化學過程和能源儲存中的應用等內容。 本書是一部系統性強、深入淺出、圖文並茂的專業著作，可供相關領域的科研工作者參考使用，同時也可以用作高年級本科生和研究生專業課程的教科書。

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自驅動系統中的奈米發電機

ISBN 978-7-03-034397-0

王中林 著

北京：科學出版社，2012。 06

我們生活的環境中充滿了各種各樣的能量，例如振動能、形變能、肌肉活動能、化學能、生物能、微風能、太陽能、熱能等。如果利用奈米技術可以把這些無時不有處處有的能量轉換為電能來帶動一些小型的電子器件，就可以製造出自驅動的微納系統。為了解決這個奈米技術中的瓶頸問題，2006年王中林小組成功地在奈米尺度範圍內將機械能轉換成電能，研製出世界上最小的發電機———奈米發電機，並提出自驅動奈米技術的新思想。之後，世界上掀起了能量收集技術研究的熱潮。過去的七年間，作者研究組在這一研究領域系統發表了一系列相關論文。為了給出一個關於奈米發電機發展的全面並且連貫的回顧與闡釋，作者編寫了這部專著，本書涵蓋了這方面的基本理論、機理研究、工程放大以及奈米發電機的潛在應用。

（本文編輯：劉四旦）

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