上海实验型微射流均质机原理（坐标坪山郑泉水院士团队在世界范围内首次实现结构超滑微发电机原型样机）

上海实验型微射流均质机原理（坐标坪山郑泉水院士团队在世界范围内首次实现结构超滑微发电机原型样机）高输出密度和长使用寿命真的无法同时被满足吗？然而，到目前为止，所有被报道的肖特基发电机要么电流密度足够高但无法保证使用寿命，要么使用寿命够长而电流密度不够，严重限制了其应用推广。出现这些问题其中一个很重要的原因在于：在小尺度下，摩擦和磨损带来的问题被显著放大，导致微发电机失效，而避免摩擦和磨损的一些复杂的结构又会以降低输出密度为代价。要解决这个“卡脖子”问题，结构超滑(Structural Superlubricity)被寄予希望。它指的是两个完全接触的固体表面在滑动过程中，保持几乎为零的摩擦力和零磨损的状态。2012年，郑泉水团队第一次在大气环境中、以m/s的速度实现了微米尺度结构超滑，为解决上述卡脖子问题带来了曙光。近期，一种新型的微发电机结构被提出，即通过金属与半导体接触形成的肖特基节在相对滑动过程中产生直流电信号（简称肖特基发电机），与传统的静电感应式微发电机相比，它结构更简单、电

来源：读特

近日，以深圳清华大学研究院超滑技术研究所所长、中科院院士郑泉水为核心的技术团队，在结构超滑技术应用领域取得重要成果：在世界范围内首次实现了结构超滑微发电机原型样机。

高输出密度和长使用寿命无法同时被满足，一直是微发电机存在的“卡脖子”问题，而此次郑泉水院士团队所研发的结构超滑微发电机原型样机，不仅具有极高的电流密度和功率密度，同时还具有几乎无限的寿命。结构超滑解决传统微发电机的“卡脖子”问题。

微发电机指的是一种能够在极其微弱的外界激励下，将激励能量转化为电能的器件，具有尺寸微小、适用范围广、环保节能等特性，但传统的微发电机往往电流密度极低，使用寿命也很短。

出现这些问题其中一个很重要的原因在于：在小尺度下，摩擦和磨损带来的问题被显著放大，导致微发电机失效，而避免摩擦和磨损的一些复杂的结构又会以降低输出密度为代价。

要解决这个“卡脖子”问题，结构超滑(Structural Superlubricity)被寄予希望。它指的是两个完全接触的固体表面在滑动过程中，保持几乎为零的摩擦力和零磨损的状态。2012年，郑泉水团队第一次在大气环境中、以m/s的速度实现了微米尺度结构超滑，为解决上述卡脖子问题带来了曙光。

近期，一种新型的微发电机结构被提出，即通过金属与半导体接触形成的肖特基节在相对滑动过程中产生直流电信号（简称肖特基发电机），与传统的静电感应式微发电机相比，它结构更简单、电流密度也高。

然而，到目前为止，所有被报道的肖特基发电机要么电流密度足够高但无法保证使用寿命，要么使用寿命够长而电流密度不够，严重限制了其应用推广。

高输出密度和长使用寿命真的无法同时被满足吗？

要知道，大多数报道中的肖特基发电机均基于摩擦激发产生电流的机制，这意味着高输出密度将对应着极高的摩擦和磨损，从而导致其使用寿命降低。如果换一种方式“发电”，是否能够另辟蹊径？

对此，学界提出：是否能够通过滑动过程中耗尽层建立和破坏形成的非平衡漂移电流来发电呢？

肖特基超滑发电机的结构、输出电流和摩擦力，及其与传统肖特基发电机的对比

（a）石墨岛/ n型硅形成的肖特基超滑发电机的结构示意图。

（b）石墨岛/ n型硅形成的肖特基超滑发电机的光学显微镜图像。

（c）肖特基超滑发电机的前2 000个循环的电流图。

（d）肖特基超滑发电机在不同速度下的摩擦力（红色）和电流（蓝色）与滑动循环次数之间的关系。

（e）纳米针尖与n型硅形成的传统肖特基发电机的前56个循环的电流图，以及结构示意图。

（f）传统肖特基发电机的摩擦力（红色）和平均电流（蓝色）与滑动循环次数之间的关系。

结构超滑技术提供了一种巧妙的手段来验证这个猜想。郑泉水院士团队采用石墨岛和原子级平整的n型硅形成的肖特基超滑发电机，实现了稳定的高电流密度(～210 Am-2)和功率密度(～7 Wm-2)，而且更重要的是在保持稳定的高电流密度(～119 Am-2)的同时，实现了至少5 000个周期的长寿命。

进一步地，通过实验中极低的摩擦力排除了摩擦激发机制，首次揭示了肖特基发电机中确实存在其他产生电流的机制，同时通过准静态有限元模拟证明耗尽层建立和破坏形成的非平衡漂移电流是肖特基超滑发电机中最有可能产生电流的机制，并给出了该机制的物理图像和过程，取得了世界范围内的结构超滑应用技术的创新突破。

坐标坪山

超滑技术为产业发展赋能

微发电机应用场景广泛，在智能家居、办公自动化设备、精密仪器仪表、工业控制系统、航空航天、无线通信系统、可穿戴电子设备、纳米/微米机器人、IOT自供能传感器等未来产业领域有着广阔的应用前景。

坪山近年来大力布局未来产业，全力打造“全域全链”的创新生态体系，形成了生物医药、新一代信息技术、新能源汽车和智能网联三大主导产业。

日前，深圳市人民政府印发的《深圳市人民政府关于支持深圳国家高新区坪山园区建设世界一流高科技产业园区的意见》提出，将加快把深圳国家高新区坪山园区建设成为创新动力充沛、高端产业集聚、运营机制高效、宜创宜业宜居的世界一流高科技产业园区。

深圳市石墨烯产业园，全新机制的医学科学院、全新机制的创新创业学院……一系列发展动能和创新要素正在加速集聚。

深圳市石墨烯产业园（贝特瑞核心园区）

深圳市石墨烯产业园（百泰园区）

深圳市石墨烯产业园（周大生园区）

“通过结构超滑微发电机技术和坪山的特色产业发展的有机融合，相信未来将在此生成更多的创新应用场景，让更多科技成果实现转化，进入大家的日常生活。”超滑技术研究所姜海洋博士对此很有信心。

目前，深圳市石墨烯产业园已正式在坪山布局，超滑技术研究所向小健博士认为：“坪山石墨烯产业拥有广阔的研发转化空间，特别是随着高质量石墨制品生产技术的不断提升，我们所研发的结构超滑微发电机有望实现低成本量产。”

深圳清华大学研究院超滑技术研究所在深圳市、坪山区两级人民政府以及清华大学、深圳清华大学研究院的共同支持下于2018年9月正式成立，是全球第一个以超滑命名的研究机构，研发方向聚焦在创造和研发基于微米结构超滑材料体系的若干具有重大的国家需求或巨大的市场前景的革命性技术产品，如基于结构超滑的微机电系统（MEMS）、微纳发电机、微纳传感器、下一代存储技术、导电滑环等。

所长郑泉水院士表示：“超滑技术研究所自落户坪山一年以来，基础设施不断完善，人才团队日趋强大，科研能力不断攀升。我们相信，在深圳坪山这块‘敢闯敢试、兼容并蓄’的创新创业沃土上，超滑技术研究所以及结构超滑技术，在未来将会取得更大的突破。”

相关链接

结构超滑微发电机原型样机相关研究文章，于2021年4月15日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。郑泉水的博士生黄轩宇为该论文第一作者；郑泉水为通讯作者。论文合作者还包括深圳清华大学研究院超滑技术研究所的向小健博士、聂锦辉博士和姜海洋博士等。

Microscale Schottky superlubric generator with high direct-current density and ultralong life

编辑 姚静霞 审核 谭凤希

（作者：深圳特区报记者 肖雄鹏)

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