誘電分極による高性能摩擦電気デバイス：レビュー

はじめに

圧電装置、焦電装置、摩擦電気装置は、水、風、光、温度、振動などの周囲環境から発電するための環境発電装置として大きな注目を集めています[1]。これらのデバイスは、電源に加えて、電子皮膚、ヘルスケア監視デバイス、ロボット工学などのさまざまなアプリケーションのセルフパワーセンサーとして使用できます[2]。それらの中で、摩擦電気デバイスは、いくつかの摩擦電気材料が接触したときに比較的高い出力性能を示します[3,4,5,6]。生成された摩擦電気信号は、電気デバイスを直接操作したり[7、8、9、10、11]、デバイスの機械的または化学的刺激を監視したりするために使用できます[4]。摩擦電気デバイスは、他のテクノロジーと比較して、簡単な製造、低コスト、優れた出力パフォーマンス、および柔軟性を実現するように簡単に設計できます。これは、セルフパワーのウェアラブルアプリケーションに有利です[12]。

摩擦電気は、異なる摩擦電気材料間の接触帯電と静電誘導によって発生します。機械的接触は、接触帯電により各摩擦電気層に補償された反対の電荷を誘導し、機械的分離により、静電誘導により外部回路に電流が流れます。したがって、摩擦電気出力の性能は、摩擦電気層の表面電荷の影響を直接受けます。

高い摩擦電気出力性能を得るには、接触帯電中の効率的な表面電荷生成と静電誘導中の効果的な電荷移動が必要です。したがって、適切な摩擦電気コンタクトペア材料を選択し、最適なデバイス構造を設計することが重要です。それらの動作メカニズムに基づいて、摩擦電気層として誘電体材料からなる4つの異なるタイプの摩擦電気デバイスが報告されています[5]。摩擦電気接触ペア材料のタイプに基づいて、摩擦電気デバイスには2つのカテゴリがあります。誘電体から誘電体への接触モードデバイスと導体から誘電体への接触モードデバイスです（図1a）[13]。前者では、厚さが d の2枚の誘電体プレート ₁ および d ₂ 、および比誘電率ε _r、1 およびε _r、2 は、それぞれ摩擦電気層として向かい合わせに積み重ねられ、電極層は誘電体の外側の表面に堆積されます。距離（ x ）2つの摩擦電気層の間は、周期的な機械力の下で変化します。

誘電体ベースの摩擦電気デバイスと誘電分極： a 平行平板接触モードの理論モデルと、誘電体から誘電体および導体から誘電体のTENGの等価回路図（参考文献[21]から転載。Copyright2014Royal Society of Chemistry）。 b 実数（ε '）および虚数部（ε "）界面、配向、イオン、および電子分極メカニズムを有するポリマーの周波数の関数としての誘電率（参考文献[32、33]の許可を得て複製。Copyright2012American Chemical Society）

続いて、接触した摩擦電気層の表面は反対の表面電荷を持ちますが、密度は同じです（σ ）接触電化による。距離が長くなるために摩擦電気層が互いに分離し始めると、電位差（ V ）は、転送された正/負の電荷の量（+ Q ）によって2つの電極間に誘導されます / –Q ）。同様に、誘電体1層のない導体間接触モードでは、金属1が上部摩擦電気層と上部電極の両方として使用されます。このデバイス構造では、金属の電荷には2つの部分があります。摩擦電荷（\（S \ times \ sigma \））と2つの電極間で移動する電荷（ –Q ）です。 ）、それによって金属1の総電荷の（\（S \ sigma --Q \））につながります。上記の接触モード摩擦電気デバイスを考慮すると、出力性能は次のように電気力学に基づいて導き出すことができます[13]：

実効誘電体の厚さ d ₀ 誘電体のすべての厚さの合計として定義されます d _i 比誘電率で割った値ε _r、i 。式に基づく。 2、摩擦電気性能は、誘電体層の表面電荷密度（\（\ sigma \））に直接影響されます。

以前は、摩擦電気材料の表面改質または高誘電性材料の導入により、表面電荷密度が増加することが報告されています。表面形態の制御[14,15,16,17]や荷電イオンの導入[18,19,20,21]などの表面修飾は、表面積または摩擦電気間の摩擦電気極性を拡大することにより、表面電荷密度を増加させます。ペアレイヤー。表面特性の調整に加えて、誘電率の増加は誘電体層の静電容量を高めることができ、それによって表面電荷密度の増加をもたらします[6、22、23]。平行平板コンデンサモデルでは、表面電荷密度は次のように誘電体層の静電容量に関連付けることができます[23、24、25]：

ここで C および S それぞれ静電容量と接触面積を示します。式から3、静電容量（ C ）は、誘電体接触モード摩擦電気デバイス[6]の表面電荷密度を改善できる要因であり、誘電率および/または誘電体層の厚さの減少とともに増加し、表面電荷密度はに正比例します。厚さに対する誘電率の比率（ε / d ）。同様に、摩擦電気デバイスでは、摩擦誘電体層の静電容量は、式（1）から表すことができます。 2 as：

たとえば、摩擦電気デバイスで多孔質誘電体層を使用することは、ε/ d を大幅に向上させる効率的な方法です。 誘電率を増加させると同時に誘電体層を外圧でプレスしたときに厚さを減少させることにより、同じ摩擦電気層を使用した場合でも表面電荷密度を大幅に向上させます[17、23、26、27]。したがって、摩擦電気層の誘電率は、摩擦電気ペア材料の選択によって決定される表面電位よりも表面電荷密度を改善するための効果的な要因です。

摩擦電気材料の誘電率は、摩擦電気性能を向上させるための重要な要素ですが、誘電率を上げるための原理と戦略に関する包括的な議論はありませんでした。以前に、摩擦電気材料とその動作メカニズムを含む、摩擦電気デバイスに関するいくつかの優れたレビューが報告されていました[3,4,5,6、12、21、28、29]。ただし、これまでに報告されている誘電体誘導摩擦電気デバイスに関する研究はごくわずかです。ここでは、誘電分極の基本を紹介し、誘電分極が制御された誘電材料の設計によって、摩擦電気デバイスの出力性能を大幅に制御および強化できることを示します。

摩擦電気性能を向上させるための誘電分極

誘電率（または比誘電率）は、材料の誘電分極によって印加電界が減少する要因として定義されます。これは、誘電添加剤の導入または化学構造の変更によって誘電材料を設計することによって強化でき、それによってさまざまな誘電現象に。誘電分極は、電子分極（または原子分極）、配向分極（または双極子分極）、イオン分極、および界面分極に分けることができます（図1b）[30、31、32、33]。電子および原子の分極は、外部電場とは反対方向の原子の負の電子と正の原子核の歪みによって引き起こされ、それによって、赤外線周波数（> 100 GHz）を超える共鳴領域で発生する電気双極子モーメントを取得します。半導体などの偏波ベースの材料は1GHz未満の誘電損失がないため、数Hzから1GHzの範囲の実際のアプリケーションに最も適しています。ただし、ほとんどの有機ポリマーは、電子分極や原子分極を誘発できない分子結合の本質的な性質のため、半導体材料よりも低い誘電率（<10）を示します。ポリマーに電子分極と原子分極をさらに誘導するには、ポリマー鎖構造には、基本的なポリマー組成よりも、Si、Ge、Snなどの分極可能な電子を持つ大きな原子が含まれている必要があります[34、35、36]。ポリシロキサンまたはその誘導体などのSiベースのポリマーが合成されますが、誘電率は3〜4以下です。したがって、絶縁ポリマーの電子/原子分極を増加させることは困難です。

ポリマーでは、固有の分子結合構造のために電子分極と原子分極が誘電率の向上に限定されますが、他の双極、イオン、および界面分極を利用して誘電率を向上させることができます。双極子（配向）分極は、ポリマーまたはナノ粒子または双極子部分を含むナノ複合材料の永久分子双極子モーメントの再配向によって引き起こされ、相構造（アモルファスまたは結晶）、温度、および周波数（通常は<10 MHz）の影響を受けます[ 32、33]。双極子構造の変更により、双極子ガラス、強誘電体、およびリラクサー強誘電体ポリマーの調製が可能になります[30]。たとえば、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）誘導体の双極子配向により、βが形成されます。 -相、それによって誘電率を増加させ、摩擦電気性能を向上させます[37、38]。イオン分極は、外力下での正と負に帯電したイオン間の相対変位によって引き起こされる可能性があります[30、39]。したがって、イオン成分を含むポリマーを使用して、イオン分極による容量性能を向上させることができます。たとえば、ヒドロゲルのイオン成分（NaClやLiClなど）は外部電界の下で分極し、電気二重層を形成します。これにより、摩擦電気性能が向上します[40、41、42、43]。界面分極は、誘電体複合材料の界面での空間電荷の再編成によって引き起こされます[30、31]。したがって、界面分極は、半結晶性ポリマー、ポリマーブレンド、または高 k のナノコンポジットを含む、すべての多成分誘電体システムで観察できます。 -または伝導-nanofillers。最近、高 k のポリマーナノコンポジット ナノ粒子は、正味の誘電率を改善し、それによって表面電荷密度の向上、したがって摩擦電気性能の向上につながり、摩擦電気デバイスで利用されてきました[23、44、45]。次のセクションでは、誘電率の増加による摩擦電気出力性能の向上を示すいくつかの例を紹介します。

高誘電率ナノ粒子/ポリマー複合材料の界面分極

高誘電率ナノ粒子は、ポリマーとナノ粒子の間の界面での分極により、ポリマーナノコンポジットの誘電率を改善するために利用されます。無機（例：チタン酸バリウム（BaTiO ₃ ）ナノ粒子およびナノワイヤー）または導電性（例えば、金属ナノ粒子、カーボンナノチューブ、およびグラフェン）ナノ材料は、正味の誘電率を高めるためにポリマーマトリックスに広く使用されており、さまざまな添加剤を含むポリマー複合材料は、ベースポリマーよりも高い誘電率を持ち、それによって改善につながります摩擦電気性能。 Chen etal。高 k を含むスポンジ状のポリジメチルシロキサン（PDMS）フィルムを準備しました ナノ粒子（SiO ₂ 、TiO ₂ 、BaTiO ₃ 、およびSrTiO ₃ ）、摩擦電気性能を強化するため（図2a）[23]。 SrTiO ₃ 他のPDMSとSrTiO ₃ よりも高い誘電率を示します より高い誘電率を表示します。これは、PDMSとSrTiO ₃ の間の界面での空間電荷分極によっても引き起こされる可能性があります。 粒子。特に、摩擦電気出力性能は、εの増加による静電容量の増加によって改善されます。 _r / d _PDMS 接触プロセス中。誘電体ナノ粒子に加えて、AlドープBaTiO ₃ などのさまざまな種類の高誘電率材料 およびCaCu ₃ Ti ₄ O ₁₂ 、は摩擦電気層に適用され、誘電体定数が改善され、結果として摩擦電気性能が向上します（図2b）[44、45]。他方、導電性材料の添加は、ポリマーマトリックス内のマイクロコンデンサー構造の形成を可能にし、これは、ポリマーマトリックスと添加剤との間の界面での空間電荷の蓄積を誘発する可能性がある。このタイプの界面分極は、ポリマーと導電性添加剤の導電率の差が大きいために発生します。

高誘電率ナノ粒子/ポリマー複合材料の界面分極によって強化された摩擦電気性能： a 誘電体ナノ粒子/スポンジPDMS複合材料ベースの摩擦電気ナノ発電機（参考文献[23]の許可を得て複製。Copyright2016AmericanChemical Society）。 b 摩擦層としてP（VDF-TrFE）およびPDMS-高誘電体粒子複合フィルムを備えた接触分離モード摩擦電気ナノ発電機（参考文献[45]から転載。Copyright2018Royal Society of Chemistry）

したがって、金属または炭素ベースの材料を使用したポリマー複合材料は、純粋なポリマーと比較して誘電率が高くなり、表面電荷密度が向上し、結果として摩擦電気性能が向上します（図3）[6、46]。高誘電率ポリマー複合材料は摩擦電気ネガティブ材料として広く使用されていますが、出力性能の向上に関していくつかの制限があります。（1）過剰な添加剤はリーク電流を引き起こすため、ポリマーマトリックス内の添加剤の比率が最適化されます[46、48]または表面摩擦面積が減少し[23、49]、その結果、出力性能が低下します。 （2）凝集したナノ粒子は、ポリマーとナノ粒子の間の界面面積の減少によって界面分極を妨害するため、界面分極を改善するために、添加剤をポリマーマトリックスに均一に分散させる必要があります。

金属または炭素ベースの材料を使用したポリマー複合材料の界面分極によって強化された摩擦電気性能： a GPs @ PDMS複合材料ベースの摩擦電気ナノ発電機（参考文献[82]から転載。Copyright2015RoyalSociety of Chemistry）。 b 挟まれた誘電体スタックを備えた液体金属介在物ベースの摩擦電気ナノ発電機（参考文献[48]から転載。Copyright2019RoyalSociety of Chemistry）

多層ポリマーフィルムの界面分極

ランダム相ナノ粒子/ポリマー複合材料の場合、ナノ粒子の量と分散を正確に制御する必要があるため、界面分極を制御することは困難です[30]。多層誘電体では、すべての界面が電界に垂直であるため、界面分極を簡単に制御でき、多層界面での均一な空間電荷の蓄積と誘電体定数の向上をもたらします。多層ポリマー誘電体は、異種ポリマー層間の界面分極を介して誘電率を高めるために広く研究されてきました[50]。界面分極は、空間電荷（電子とイオン）が2つの異なる材料間の界面に蓄積され、外部電界下での誘電率と導電率のコントラストが大きい場合に発生します[30]。キムら[51]およびFengetal。 [52]は、摩擦電気出力性能に対する比誘電率の差が大きい二分子膜の効果を示しました（図4a、b）。導電層と電極の間に低誘電体層を追加すると、誘電体膜に電荷がトラップまたは蓄積され、それによって電荷密度が増加します。電荷の蓄積は、PVDFと絶縁膜の間の誘電率または導電率の大きな違いによる2層膜の界面での分極の増加によって引き起こされる可能性があります。一方、私たちのグループは、異なるフッ素単位を持つポリマーとポリエチレンテレフタレート（PET）絶縁層で構成される二重層フィルムが、出力性能に及ぼす影響を実証しました（図4c）[53]。特に、側鎖に3つのフッ素ユニットを持つフッ素化ポリマー（ポリ（2,2,2-トリフルオロエチルメタクリレート）、PTF）は、誘電率の低いPET基板にコーティングされているため、誘電率が高くなります。半結晶性PTFとPET間の界面での界面分極。その結果、PTF-PETは、他のフッ素化ポリマーフィルムよりも高い摩擦電気性能を示しました。上記の結果に基づいて、異種誘電体多層膜は、フレキシブルまたはウェアラブルデバイスの摩擦電気性能を強化するための堅牢な設計になります。

多層ポリマーフィルムの界面分極によって強化された摩擦電気性能： a さまざまなPDMS中間層の厚さを持つPVDF / PDMS二重層とナイロン6 / PDMS二重層で構成される摩擦電気ナノ発電機（参考文献[51]から採用。Copyright2018Elsevier）。 b 電荷貯蔵用の遷移層としてPIを使用しない場合と使用する場合の摩擦電気ナノ発電機（参考文献[52]から採用。Copyright2017Elsevier）。 c さまざまな種類のフッ素単位を持つフッ素化ポリマーをベースにした二層摩擦電気ナノ発電機（参考文献[53]から転載。Copyright2018Elsevier）

イオン性ポリマーゲルのイオン分極

不純物イオンを除くイオン成分を含むポリマーマトリックスでは、イオン分極がポリマー電解質と電極間の界面での電気二重層（EDL）の形成を促進し、それによって誘電率の向上につながります[30、39、 54]。分極は、コンデンサー（スーパーキャパシターやEDLコンデンサーなど）やバッテリーなどのエネルギー貯蔵デバイスでよく利用されます[55]。ヘルムホルツ方程式によれば、静電容量はC≈kεとして表すことができます。 ₀ /λ 、ここで k 、ε ₀ 、 およびλ は、EDLの実効誘電率、真空誘電率、およびデバイスクリーニング長（または二重層の厚さ）です。摩擦電気デバイスでは、高分子材料の対称または非対称イオンペアやイオン液体などのイオン成分がよく使用されます。ポリ（ビニルアルコール）（PVA）は、ポリマー主鎖のヒドロキシル基のために一種の負の摩擦電気材料であるため、さまざまな種類のイオン対と相互作用する可能性があります。外部電界が印加されると、正イオンと負イオンの間の相対変位によりイオン分極が発生する可能性があり、それによって摩擦電層間の界面でのEDL形成に寄与します。リュウ他[43]正または負の摩擦電気層としてそれぞれ対称または非対称イオンを使用してPVAベースの固体高分子電解質（SPE）を準備しました（図5a）。自然のままのPVAとの接触プロセスの後、さまざまな種類のイオンドーピングの効果によってさまざまな表面電位が体系的に測定されました。たとえば、SPEは、リン酸（H ₃ ）を追加すると、負または正の摩擦電気材料になります。 PO ₄ ）陰イオンまたは塩化カルシウム（CaCl ₂ ）陽イオンまたは陰イオンが追加の電子荷電状態または非占有状態を作成するため、それぞれ陽イオンよりも多くの陰イオンを使用します。実際には、ホウ砂溶液を含むPVAまたは塩化リチウムを含むポリ（アシルアミド）からなるイオン伝導体が、生体力学的エネルギーハーベスティングおよび触覚センシングアプリケーションに適用され、EDL形成を通じて摩擦電気性能を向上させることが示されています（図5b）[41、 42、56]。同様に、Zou etal。 [40]デンキウナギの電解質の細胞膜上のイオンチャネルの構造に触発された、エラストマーのエコフレックスと塩化ナトリウム（NaCl）溶液からなるバイオニック伸縮性ナノ発電機を製造しました。このデバイスは、流れる液体による摩擦帯電と分極イオンによる静電誘導の効果を組み合わせることにより、10 Vを超える開回路電圧で水中の人間の動きから機械的エネルギーを収集します。さらに、Lee etal。 [56]は、ナノ発電機をイオン液体とポリ（フッ化ビニリデン-co-ヘキサフルオロプロピレン）で構成されるイオンゲルユニットに接続したときの摩擦電気性能を調査しました。 （図5c）。イオンゲルベースの摩擦電気デバイスは、超伸縮性、透明性、防水性のウェアラブルデバイスの製造を可能にしますが、デバイスはイオン漏れを防ぐためにエラストマーマトリックスでカプセル化する必要があります。

イオン性高分子ゲルのイオン分極によって強化された摩擦電気性能： a さまざまな種類のイオンを含むPVAに基づくSPE-摩擦電気ナノ発電機（参考文献[43]の許可を得て複製。Copyright2017Wiley–VCH）。 b エラストマーとイオン性ヒドロゲル（PAAm-LiCl）をそれぞれ帯電層と電極としてハイブリダイズさせることにより、生体力学的エネルギーハーベスティングと触覚センシングの両方を可能にする柔らかい肌のような摩擦電気ナノ発電機（CC-BY-NC4.0ライセンスの条件の下で複製。Ref。 。[41]。Copyright2017、The American Association for the Advancement of Science）。 c 摩擦電気ナノ発電機とイオンゲルユニットで構成される摩擦電気イオンゲルシステム（参考文献[56]から転載。Copyright2018Elsevier）

強誘電体PVDF誘導体の双極子分極

双極子（配向）分極は、ポリマー鎖の相構造の整列した双極子を介した双極子モーメントの増加によって引き起こされる、低い誘電損失で誘電率を高めるための別の戦略です。典型的な例はPVDFとその派生物です。一方向のβ以来、ポリマーには永久双極子モーメントがあります -相が形成され、誘電率が増加し、摩擦電気性能が向上します。チョン他[37]は、PVDF-銀ナノワイヤー（AgNW）複合ナノファイバーに基づく高性能摩擦電気ナノ発電機を実証しました（図6a）。 PVDFにAgNWを導入すると、βの比率が増加します。 -αへのフェーズ -AgNWとPVDF分子鎖間の相互作用による相。これにより、誘電率が向上し、PVDF-AgNW誘電体層での電荷トラップが可能になります。金属源に加えて、Seung et al 。 [38]半導体ナノ粒子（BaTiO ₃ ）強​​誘電性共重合体マトリックス（ポリ（フッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン）、PVDF-TrFE）に変換します（図6b）。摩擦電気性能は、ポーリングプロセス後に大幅に向上します。これは、一般的なポリテトラフルオロエチレンベースの摩擦電気ナノ発電機の150倍以上です。異種ポリマー複合材料とは異なり、私たちのグループは最近、強誘電性多層ナノ複合材料が摩擦電気性能に及ぼす影響を実証しました（図6c）[57]。 PVDF-TrFEとBaTiO ₃ が交互に並んだ多層誘電体膜 層は、純粋なPVDF-TrFEフィルム（13.9）および単一のPVDF-TrFE / BaTiO ₃ よりも高い誘電率（17.1）を示します。 多層誘電体膜のセクションで説明されているように、共重合体とナノ粒子層の間の界面分極のために、ナノコンポジット（15.9）（図4）。続いて、摩擦電気出力性能は、単層フィルムと比較して向上します。強誘電性ポリマーナノコンポジットは、高い強誘電性分極によって誘電定数が増加するため、摩擦電気出力性能が向上しますが、添加剤のパーコレーションしきい値のため、出力性能の向上には限界があります。

強誘電性PVDF複合材料の双極子分極によって強化された摩擦電気性能： a エレクトロスピニング法で調製されたPVDF–AgNWコンポジットとナイロンナノファイバーに基づく摩擦電気ナノ発電機（参考文献[37]の許可を得て複製。Copyright2018Wiley–VCH）。 b 強誘電性複合材料ベースの摩擦電気ナノ発電機（参考文献[38]の許可を得て複製。Copyright2017Wiley–VCH）。 c 多層PVDF-TrFE / BTOベースの摩擦電気ナノ発電機（参考文献[57]の許可を得て複製。Copyright2020AmericanChemical Society）

一方、双極子モーメントは、–CN、–NO ₂ などの極性単一分子[58]を導入することで変更できます。 、および–SO ₂ –、または極性ポリマー[59,60,61]、ポリスチレン、ポリ（2-ヒドロキシエチルメタクリレート）、およびポリ（ドーパミンメタクリルアミド）を含み、ポリマーの自由体積で双極子の回転を可能にし、それによって誘電率。最近、双極子分極を利用して、双極子モーメントの大きい極性基をポリマーの側鎖に結合させることにより、摩擦電気材料の誘電率を高めています[22]。 Lee etal。 PVDFグラフト共重合体が摩擦電気出力性能を著しく向上させることを実証しました（図7）。異なるグラフト率のポリ（アクリル酸tert-ブチル）（PtBA）がPVDFチェーンに導入され、PtBAのπ結合と極性エステル基によって双極子モーメントが向上し、誘電率が向上し、その後、摩擦電気出力性能が向上しました。グラフトポリマーに加えて、ナノ構造ドメインを備えたポリマー誘電体は、双極子配向分極率によって誘電率を増加させます[62]。ポリマーベースの誘電体材料には、溶液の加工性や柔軟性などのいくつかの利点がありますが、摩擦電気デバイスでこのような分極が採用されている研究はこれまでほとんど報告されていません。

PVDFグラフト共重合体の双極子分極によって強化された摩擦電気性能：PVDFグラフトポリマーベースの摩擦電気ナノ発電機。 a 裸のPVDFとPVDFの双極子モーメント- g -PtBAおよび b それらの誘電特性と摩擦電気性能（CC-BY-NC 4.0ライセンスの条件の下で複製。参照[22]。Copyright2017、米国科学振興協会）

結論と展望

特にモノのインターネット（IoT）テクノロジーの開発以来、セルフパワーのウェアラブルおよび埋め込み型電子デバイスは不可欠です。摩擦電気効果は日常生活で最も頻繁に経験される現象の1つであるため、摩擦電気デバイスは、他のタイプのアプリケーションと組み合わせたセルフパワーウェアラブルデバイスの有望な環境発電装置です。 IoT産業の発展に伴い、電子機器には小型化と多機能性が求められ、高い出力性能が求められます。動作モードを組み合わせたデバイス構造を採用することで、出力性能の高い摩擦電気デバイスが開発されましたが[63,64,65]、複数のデバイスの出力性能を向上させる必要があります。

これまで、研究は摩擦電気ペア材料（通常は負の摩擦電気材料）の開発に焦点を合わせてきましたが、誘電体摩擦材料はめったに調査されていません。誘電体材料は、表面電荷密度と誘電体定数の関係に応じて摩擦電気性能を向上させる可能性があるため、さまざまな分極メカニズムに基づく摩擦電気材料の発明により、次のように実現できる高出力のウェアラブルデバイスの開発が可能になります。

1. 1。

   さまざまな高 k 誘電体材料は、構造因子[66]または化学ドーピング[67、68]を制御することによって合成されており、ポリマー複合材料の誘電率を高めるためのいくつかの候補があります。さらに、ポリマーマトリックス中の均一分散のための誘電体ナノ材料の表面改質[69、70]および誘電体構造の制御（例えば、ヘテロ構造多層複合材料[30、31、71、72]または導電性材料が整列した誘電体複合材料[ 73、74]）誘電特性を高めるために調査されました。ただし、出力性能を向上させるために摩擦電気デバイスで利用されているアプローチはほとんどありません。ポリマーマトリックス中の添加剤の高い適合性または整列により、界面面積の増加または漏れ電流の低減が可能になり、誘電率の向上とその結果としての出力性能につながります。

2. 2。

   誘電性ポリマーナノコンポジットに加えて、ポリマー鎖構造を変更すると、双極子モーメントが改善されることで双極子分極が生じるため、誘電特性を向上させることができます。これまで、高誘電率の高分子材料は、分極性成分をグラフトすることによって[58、60]、または双極子分極によって誘電率を増加させるナノ構造を設計することによって[61、62、75、76]合成されてきました。ポリマーベースの誘電体材料は、柔軟性や溶液加工性などの物理的特性により、次世代のウェアラブルアプリケーション向けの印刷可能な摩擦電気デバイスの開発を容易にするため、摩擦電気材料としての使用に適しています。

3. 3。

   誘電分極に加えて、強い電界の下で双極子の再配列を誘発できる電気ポーリングプロセスは、誘電率を改善するための別のアプローチであり、その後、摩擦電気性能の向上を可能にします[77,78,79,80]。最近、圧電発電機のせん断誘起プロセス[81]を介して強誘電特性を大幅に改善するためにセルフポーリング法が適用されていますが、出力性能は摩擦電気発電機よりも低いままです。このメカニズムは、誘電体の分極と誘電体複合材料の自己分極を組み合わせることで、誘電率を大幅に改善する相乗効果をもたらし、摩擦電気性能を大幅に向上させることができます。

4. 4。

   ほとんどの研究は、負の摩擦電気材料に焦点を合わせています。摩擦電気性能は、正と負の摩擦電気層の間の接触帯電から生じるため、正の摩擦電気材料は、出力性能を向上させるための重要な要素です。分極誘導摩擦電気ペア材料は、出力性能が大幅に向上した摩擦電気デバイスの開発を促進できます。これにより、スマートウェアラブルデバイスやポータブルIoTデバイスなど、高出力電力を必要とする実用的なアプリケーションが容易になります。

データと資料の可用性

該当なし。

略語

EDL：

電気二重層

PDMS：

ポリジメチルシロキサン

PET：

ポリエチレンテレフタレート

PtBA：

ポリ（アクリル酸tert-ブチル）

PTF：

ポリ（2,2,2-トリフルオロエチルメタクリレート）

PVA：

ポリ（ビニルアルコール）

PVDF：

ポリフッ化ビニリデン

SPE：

固体高分子電解質