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【Adv.Funct.Mater.】中科院北京納米能源與系統研究所特刊及封面賞析
發表日期: 2019-10-16 文章來源:
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  中科院北京納米能源與系統研究所是2012年由中科院和北京市共建的新型科研單元。在王中林所長的帶領下,納米能源研究所旨在進行納米能源和微納系統核心技術相關的研究并培養專業科研人才。研究所兩個主要研究領域為用于自驅動能源系統和藍色能源的納米發電機,以及用于第三代半導體的壓電電子學和壓電光電子學。經過7年的發展,研究所現有成員近500人。近日,Wiley出版社的Advanced Functional Materials29卷,41期推出特刊:Nanogenerators and Piezotronics- A special Issue of the Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems,專題介紹納米能源研究所的研究成果。 

  基于壓電和摩擦電效應,納米發電機收集微小機械能源并轉換為電能,在物聯網、傳感器、人工智能和機器人領域得到廣泛關注認可。壓電納米發電機是2006年由王中林院士在從事ZnO納米線研究工作時提出的,其原理基于壓電效應。摩擦納米發電機是基于摩擦起電和靜電感應的耦合效應,在2012年由王中林課題組首次發明,并迅速吸引了包括物理、化學、材料、電子工程和機械工程等專業領域的世界范圍的關注研究。 

  壓電電子學是王中林院士于2007年首次提出的概念,即利用壓電勢能來調制和控制半導體中的電流。例如中心對稱纖鋅礦結構的ZnOGaNInN等,在外加應力作用下會產生極化電荷從而產生壓電電勢。這種壓電電勢可以作為“門電壓”調節界面或結區電荷運動。壓電電子學已經應用于力控制的電子器件、傳感器、邏輯單元、存儲、催化等方面。位于p-n結處的極化電荷能夠扭曲結區能帶結構并且影響載流子運動、分離和復合。根據壓電材料極化方向采取拉伸或者壓縮應力可以有效提高載流子的分離和復合效率。通過半導體、光激發和壓電耦合形成一個新的研究領域稱為壓電光電子學。壓電光電效應是通過外加應力產生極化電荷調節異質結區載流子的產生、分離或重組過程。壓電光電子學效應已經在發光二極管、雷射二極管、光電探測器、光電池器件和光電化學過程等方向取得了很大的發展進步。 

  本期特刊共有8篇綜述和11份研究論文。北京納米能源與系統研究所可以用“科學樹”的方式展示其主要“枝干”,包括研究領域和主要應用。其中主干是功能性材料和基礎物理學,并引伸出新的器件、結構和應用領域。特刊涵蓋了研究所主要研究領域,包括自驅動能源系統、摩擦納米發電機、復合納米發電機、藍色能源、摩擦電子學、壓電電子學和壓電光電子學,位于樹的中央;小的分枝則代表了目前已經開展的應用和未來前景。在不久的將來,這顆大樹會迅速成長壯大,并將碩果累累。 

 

1 科學樹(Science Tree  

(設計者:鄭強、蔣東杰、李舟) 

  封面賞析: 

  1. 前封面(Cover Picture 

  底部建筑為北京懷柔園區研究所大樓,下面的電路圖顯示出研究所先進的科技感。以大樓為根基營養孕育出新興電子“科學樹”,綠色的大樹顯示出研究所在研究領域磅礴的生命力和發展勢頭。其中主干是基于基礎物理和功能性材料的研究領域,包括自驅動能源系統、藍色能源、納米發電機、壓電電子學、摩擦電子學等,小的分枝代表了目前的應用和未來的前景。(設計者:王中林、李舟、石波璟、歐陽涵)     

  2.內前封面(Inside Front Cover 

  摩擦納米發電機的理論源頭為麥克斯韋位移電流,整幅圖為摩擦納米發電機作為植入式和穿戴式電子器件的應用研究。摩擦納米發電機可以集成到助聽器、心臟起搏器等器件中,也可以單獨作為腕帶手環和鞋底等電子器件。整幅圖以運動的人為背景,體現出人體具有豐富的機械能。摩擦納米發電機可以收集包括耳部、心臟、手腕、腳底等部位的機械能,并將其轉化為電能驅動生物電子器件,或者直接作為自驅動傳感器用于自驅動聽覺傳感、自驅動心臟起搏器、自驅動脈搏傳感、納米發電鞋等生物醫學和健康監護應用。(設計者:歐陽涵、李舟)     

  3.內后封面(Inside Back Cover 

  摩擦納米發電機是一種新興的將機械能轉化為電能的裝置,可以作為各種極端環境下的能量收集器件。研究人員通過組裝成千上萬棒球大小的發電機單元形成“漁網”結構漂浮在水面上,用于收集海洋波浪能量。這種技術具有價格低廉、質量輕、效率高、能量密度高和易于擴展等優勢,可以作為自驅動物聯網節點,并逐步實現海洋能收集的“藍色能源”夢想。摩擦納米發電機還適用于火星上的復雜工作環境,有望為火星探測提供充足能源,展現了可“上天入海”的新時代能源技術。(設計者:張弛、布天昭)     

  4.后封面(Back Cover 

  基于半導體、壓電和光致激發特性的三元耦合是研究和應用壓電電子學、壓電光子學、光電子學和壓電光電子學的基礎,也是浩瀚宇宙中十分耀眼的一顆星。它滋養了新型壓電-光電納米器件的蓬勃發展,諸如自供電觸覺傳感網絡、發光二極管、人機交互界面以及高分辨存儲器等重要領域,像小星球一般,生生不息,愈發閃爍。(設計者:潘曹峰、陶娟)     

  5.卷首插圖(Frontispiece 

  本特刊插圖封面文章來自任凱亮團隊,題目為“Monocharged Electret Nanogenerators: A Monocharged Electret Nanogenerator-Based Self-Powered Device for Pressure and Tactile Sensor Applications”(DOI: 10.1002/adfm.201807618)。隨著物聯網的快速發展,傳感器在力、溫度和光等的測量方面扮演著重要的角色。該團隊提出了基于駐極體納米發電機的自驅動壓力傳感器。該器件在觸覺傳感和智能電子皮膚領域具有很大的應用前景。(設計者:任凱亮、宮少波)     

  6.卷首插圖(Frontispiece 

  本特刊插圖封面文章來自李舟團隊和魏煒團隊,題目為“Highly Efficient In Vivo Cancer Therapy by an Implantable Magnet Triboelectric Nanogenerator”(DOI10.1002/adfm.201970285)。該團隊發展了基于磁鐵互斥結構摩擦納米發電機和紅細胞膜載藥體系的自驅動腫瘤治療系統。圖中顯示載藥紅細胞膜粒徑減小,可通過腫瘤EPR效應進入并富集到病灶區域,通過發電機提供電場穿孔紅細胞膜釋放抗腫瘤藥物。該新型藥物遞送系統為自驅動可控藥物釋放和治療平臺提供了新的思路和解決方案。(設計者:趙超超、封紅青、談溥川、李舟)     

  7. 卷首插圖(Frontispiece 

  本特刊插圖封面文章來自孫其君團隊,題目為“Piezotronic Graphene Artificial Sensory Synapse”(DOI10.1002/adfm.201970286)。該團隊發展了基于應變/電調制雙層石墨烯場效應晶體管的壓電仿生突觸,該體系可以有效的將外部應變時空信息與突觸興奮性電流聯系起來。研究者展示了脈沖增強/抑制、權重適應性、成對脈沖易化、脈沖權重動態調整等典型的突觸行為。(設計者:孫其君)   

  本文作者:趙超超、李舟
  20191016

評 論
 
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