Nanoenergy and Biosystem Lab
Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Chinese Academy of Sciences

【Adv.Funct.Mater.】中科院北京纳米能源与系统研究所特刊及封面赏析

  中科院北京纳米能源与系统研究所是2012年由中科院和北京市共建的新型科研单元。在王中林所长的带领下,纳米能源研究所旨在进行纳米能源和微纳系统核心技术相关的研究并培养专业科研人才。研究所两个主要研究领域为用于自驱动能源系统和蓝色能源的纳米发电机,以及用于第三代半导体的压电电子学和压电光电子学。经过7年的发展,研究所现有成员近500人。近日,Wiley出版社的Advanced Functional Materials在29卷,41期推出特刊:Nanogenerators and Piezotronics- A special Issue of the Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems,专题介绍纳米能源研究所的研究成果。

  基于压电和摩擦电效应,纳米发电机收集微小机械能源并转换为电能,在物联网、传感器、人工智能和机器人领域得到广泛关注认可。压电纳米发电机是2006年由王中林院士在从事ZnO纳米线研究工作时提出的,其原理基于压电效应。摩擦纳米发电机是基于摩擦起电和静电感应的耦合效应,在2012年由王中林课题组首次发明,并迅速吸引了包括物理、化学、材料、电子工程和机械工程等专业领域的世界范围的关注研究。

  压电电子学是王中林院士于2007年首次提出的概念,即利用压电势能来调制和控制半导体中的电流。例如中心对称纤锌矿结构的ZnO、GaN、InN等,在外加应力作用下会产生极化电荷从而产生压电电势。这种压电电势可以作为“门电压”调节界面或结区电荷运动。压电电子学已经应用于力控制的电子器件、传感器、逻辑单元、存储、催化等方面。位于p-n结处的极化电荷能够扭曲结区能带结构并且影响载流子运动、分离和复合。根据压电材料极化方向采取拉伸或者压缩应力可以有效提高载流子的分离和复合效率。通过半导体、光激发和压电耦合形成一个新的研究领域称为压电光电子学。压电光电效应是通过外加应力产生极化电荷调节异质结区载流子的产生、分离或重组过程。压电光电子学效应已经在发光二极管、雷射二极管、光电探测器、光电池器件和光电化学过程等方向取得了很大的发展进步。

  本期特刊共有8篇综述和11份研究论文。北京纳米能源与系统研究所可以用“科学树”的方式展示其主要“枝干”,包括研究领域和主要应用。其中主干是功能性材料和基础物理学,并引伸出新的器件、结构和应用领域。特刊涵盖了研究所主要研究领域,包括自驱动能源系统、摩擦纳米发电机、复合纳米发电机、蓝色能源、摩擦电子学、压电电子学和压电光电子学,位于树的中央;小的分枝则代表了目前已经开展的应用和未来前景。在不久的将来,这颗大树会迅速成长壮大,并将硕果累累。



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图1 科学树(Science Tree)  

(设计者:郑强、蒋东杰、李舟)



封面赏析:

  1. 前封面(Cover Picture)

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  底部建筑为北京怀柔园区研究所大楼,下面的电路图显示出研究所先进的科技感。以大楼为根基营养孕育出新兴电子“科学树”,绿色的大树显示出研究所在研究领域磅礴的生命力和发展势头。其中主干是基于基础物理和功能性材料的研究领域,包括自驱动能源系统、蓝色能源、纳米发电机、压电电子学、摩擦电子学等,小的分枝代表了目前的应用和未来的前景。(设计者:王中林、李舟、石波璟、欧阳涵)


2.内前封面(Inside Front Cover)

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  摩擦纳米发电机的理论源头为麦克斯韦位移电流,整幅图为摩擦纳米发电机作为植入式和穿戴式电子器件的应用研究。摩擦纳米发电机可以集成到助听器、心脏起搏器等器件中,也可以单独作为腕带手环和鞋底等电子器件。整幅图以运动的人为背景,体现出人体具有丰富的机械能。摩擦纳米发电机可以收集包括耳部、心脏、手腕、脚底等部位的机械能,并将其转化为电能驱动生物电子器件,或者直接作为自驱动传感器用于自驱动听觉传感、自驱动心脏起搏器、自驱动脉搏传感、纳米发电鞋等生物医学和健康监护应用。(设计者:欧阳涵、李舟)


3.内后封面(Inside Back Cover)

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  摩擦纳米发电机是一种新兴的将机械能转化为电能的装置,可以作为各种极端环境下的能量收集器件。研究人员通过组装成千上万棒球大小的发电机单元形成“渔网”结构漂浮在水面上,用于收集海洋波浪能量。这种技术具有价格低廉、质量轻、效率高、能量密度高和易于扩展等优势,可以作为自驱动物联网节点,并逐步实现海洋能收集的“蓝色能源”梦想。摩擦纳米发电机还适用于火星上的复杂工作环境,有望为火星探测提供充足能源,展现了可“上天入海”的新时代能源技术。(设计者:张弛、布天昭)  


4.后封面(Back Cover)

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  基于半导体、压电和光致激发特性的三元耦合是研究和应用压电电子学、压电光子学、光电子学和压电光电子学的基础,也是浩瀚宇宙中十分耀眼的一颗星。它滋养了新型压电-光电纳米器件的蓬勃发展,诸如自供电触觉传感网络、发光二极管、人机交互界面以及高分辨存储器等重要领域,像小星球一般,生生不息,愈发闪烁。(设计者:潘曹峰、陶娟)


5.卷首插图(Frontispiece)

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  本特刊插图封面文章来自任凯亮团队,题目为“Monocharged Electret Nanogenerators: A Monocharged Electret Nanogenerator-Based Self-Powered Device for Pressure and Tactile Sensor Applications”(DOI: 10.1002/adfm.201807618)。随着物联网的快速发展,传感器在力、温度和光等的测量方面扮演着重要的角色。该团队提出了基于驻极体纳米发电机的自驱动压力传感器。该器件在触觉传感和智能电子皮肤领域具有很大的应用前景。(设计者:任凯亮、宫少波)


6.卷首插图(Frontispiece)

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  本特刊插图封面文章来自李舟团队和魏炜团队,题目为“Highly Efficient In Vivo Cancer Therapy by an Implantable Magnet Triboelectric Nanogenerator”(DOI:10.1002/adfm.201970285)。该团队发展了基于磁铁互斥结构摩擦纳米发电机和红细胞膜载药体系的自驱动肿瘤治疗系统。图中显示载药红细胞膜粒径减小,可通过肿瘤EPR效应进入并富集到病灶区域,通过发电机提供电场穿孔红细胞膜释放抗肿瘤药物。该新型药物递送系统为自驱动可控药物释放和治疗平台提供了新的思路和解决方案。(设计者:赵超超、封红青、谈溥川、李舟)


7. 卷首插图(Frontispiece)

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  本特刊插图封面文章来自孙其君团队,题目为“Piezotronic Graphene Artificial Sensory Synapse”(DOI:10.1002/adfm.201970286)。该团队发展了基于应变/电调制双层石墨烯场效应晶体管的压电仿生突触,该体系可以有效的将外部应变时空信息与突触兴奋性电流联系起来。研究者展示了脉冲增强/抑制、权重适应性、成对脉冲易化、脉冲权重动态调整等典型的突触行为。(设计者:孙其君)


本文作者:赵超超、李舟
  2019年10月16日

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