Formés par l'effet de couplage de l'électrification de contact et de l'induction électrostatique, les nanogénérateurs triboélectriques (TENG) convertissent efficacement l'énergie micro-nano la plus largement distribuée dans notre environnement, y compris le mouvement humain, la brise, les vibrations et les précipitations, en énergie électrique, offrant ainsi une solution durable. pour alimenter une pléthore de capteurs que l'alimentation actuelle de la batterie ne parvenait pas à gérer.

Cependant, le courant de sortie et la puissance du TENG sont limités en raison de la faible densité de charge de surface.

Les charges acquises sur la surface triboélectrique restent limitées et instables, ce qui nécessite des stratégies supplémentaires pour améliorer le courant de sortie et la densité de puissance. De plus, la détection triboélectrique a une mauvaise résolution et reste dans la régulation de détection à l'échelle macro. De plus, TENG possède une impédance interne capacitive inhérente, nécessitant une stratégie de gestion de l'énergie efficace pour réduire l'impédance de sortie de TENG et répondre aux exigences de l'électronique et des systèmes auto-alimentés.

En réponse aux défis rencontrés par TENG, le groupe du professeur Chi Zhang de l'Institut des nanoénergies et des nanosystèmes de Pékin a réalisé trois branches de la tribotronique qui répondent à ces défis en incorporant des matériaux et des technologies semi-conducteurs, à savoir l'effet tribovoltaïque, l'effet de champ triboélectrique et gestion de l'énergie triboélectrique.

Ils réalisent des dispositifs triboélectriques à haute densité de puissance, des transistors triboélectriques à effet de porte à l'échelle nanométrique et des systèmes triboélectriques auto-alimentés avec une alimentation en énergie à haut rendement, et la démonstration d'application de nœuds de capteurs sans fil auto-alimentés a été réalisée pour le domaine industriel. /P>

Publié dans International Journal of Extreme Manufacturing , cette recherche, en résumant les avancées récentes en tribotronique, vise à propulser le développement de nouveaux appareils triboélectriques et de microsystèmes auto-alimentés dans les domaines de la fabrication intelligente, des réseaux de capteurs sans fil et de l'Internet industriel des objets.

Le professeur Chi Zhang, chercheur principal, a déclaré :« Avec des matériaux semi-conducteurs au lieu d'isolants comme matériaux de friction pour le TENG, une production d'énergie en courant continu a été observée, appelée effet tribovoltaïque. Comparé au TENG, le générateur tribovoltaïque n'est pas limité par la densité de charge de surface, qui augmente la densité de courant d'un ordre de grandeur et présente des avantages en termes de densité de puissance élevée. "

L'effet tribovoltaïque se produit sur l'interface semi-conductrice. Lorsqu'une friction est appliquée à la couche diélectrique sur la surface du semi-conducteur, le potentiel triboélectrique généré par la friction peut être utilisé pour réguler le transport des porteurs dans le semi-conducteur. Le co-auteur, le Dr Junqing Zhao, a déclaré :"Le potentiel triboélectrique généré par le TENG peut être utilisé comme tension de grille dans un transistor à effet de champ, sur la base duquel une détection mécanique active et une détection tactile à l'échelle nanométrique peuvent être réalisées."

En plus d'étudier l'électronique des systèmes de friction interfaciale, la méthode de gestion de l'énergie triboélectrique basée sur TENG est proposée en utilisant la technologie des semi-conducteurs pour améliorer l'efficacité de l'approvisionnement énergétique. Le Dr Junqing Zhao estime que « la stratégie de gestion de l'énergie consistant à réduire l'impédance basée sur la technologie des dispositifs à semi-conducteurs améliore l'effet d'alimentation électrique des capteurs et des microsystèmes, ce qui constitue une avancée majeure dans l'application des dispositifs tribotroniques dans le domaine des réseaux de détection auto-alimentés. » P>

Le professeur Chi Zhang a déclaré :« La tribotronique est un nouveau domaine explorant l'interaction entre la triboélectricité et les semi-conducteurs. D'une part, la recherche se concentre sur l'électronique des systèmes de friction interfaciale, tels que l'effet tribovoltaïque et l'effet de champ triboélectrique, pour développer des dispositifs tribotroniques pour l'énergie. conversion, détection active et contrôle."

"D'autre part, la recherche se concentre sur la technologie triboélectrique via l'électronique, englobant la modulation, le stockage et l'utilisation de l'énergie de la triboélectricité, permettant ainsi une collecte efficace de l'énergie micromécanique et fournissant des solutions de microénergie pour la détection distribuée."

"Cependant, certains problèmes subsistent à ce stade, notamment une recherche approfondie sur le mécanisme de conversion d'énergie pour l'effet tribovoltaïque, le développement de nouveaux dispositifs tribotroniques en combinant des matériaux innovants avec une technologie de fabrication et l'amélioration de la gestion de l'énergie triboélectrique pour explorer pleinement son potentiel. nouvelles applications électromécaniques "

"En se combinant avec une variété de disciplines telles que la nanoénergie et les systèmes microélectromécaniques, la tribotronique élargira les applications potentielles dans de nouveaux domaines tels que la détection intelligente, les sciences de l'énergie, l'interface homme-machine et les biosciences."

Plus d'informations : Chi Zhang et al, Tribotronique :un domaine émergent en couplant la triboélectricité et les semi-conducteurs, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI :10.1088/2631-7990/ace669

Fourni par l'International Journal of Extreme Manufacturing