摩擦纳米发电机中场发射效应的发现及其对超高电荷密度实现的突破性影响

研究人员针对摩擦纳米发电机(TENGs)输出性能受限于接触起电、空气击穿和介质击穿的传统认知，首次揭示了接触起电诱导的场发射效应及其对表面电荷密度(SCD)的限制机制。通过抑制场发射，实现了高达2.816 mC m-2的超高电荷密度，并证明场发射先于介质击穿成为TENGs的新性能瓶颈。该研究为提升TENGs能量密度（>10 J m-2）提供了理论依据，对接触起电机理研究和能量收集技术发展具有重要意义。

　　

论文解读

在能源危机与可持续发展需求的双重驱动下，摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerators, TENGs）因其卓越的机械能-电能转换能力成为研究热点。传统观点认为TENGs的性能受三大因素制约：接触起电（Contact Electrification）产生的初始电荷量、空气击穿（Air Breakdown）导致的电荷耗散，以及介质击穿（Dielectric Breakdown）对材料极限的挑战。然而，随着电荷密度逼近1 mC m^-2量级，这些理论已无法解释实验中观察到的电荷损失现象。这一科学盲区不仅限制了TENGs的能量输出，更阻碍了其在静电吸附、接触电催化等高端应用中的发展。

为突破这一瓶颈，中国科学院北京纳米能源与系统研究所的研究团队通过系统实验与理论建模，首次揭示了场发射（Field Emission）效应在TENGs中的关键作用。研究发现，当接触起电产生的表面电荷密度达到临界值时，强电场会引发电子从材料表面直接隧穿至真空或气体介质，这一过程甚至先于介质击穿发生，成为限制电荷密度的"隐形天花板"。相关成果以封面文章形式发表于《Nature Communications》，为TENGs的性能优化提供了全新视角。

关键技术方法
研究采用接触-分离式TENG（CS-TENG）和单电极TENG（S-TENG）两种模型，通过真空环境排除空气击穿干扰，结合电荷重置二极管实现电荷动态监测。利用高精度静电计（Keithley 6514）和电压探头（Trek 370）测量输出参数，通过COMSOL模拟电场分布，并采用多层聚酰亚胺薄膜调控介质厚度以验证理论模型。

研究结果

场发射效应的发现与验证
通过延长接触时间使聚酰亚胺薄膜获得2.816 mC m^-2的超高电荷密度后，研究人员观察到分离过程中仍有微量电荷损失（图1d）。这一反常现象无法用传统理论解释。理论计算表明，当间隙电场强度达10⁸ V m^-1量级时，场发射效应会引发电荷隧穿。在S-TENG实验中，输出电荷在300-400 μC m^-2时突然衰减（图5e），对应间隙电场强度达理论阈值，放电峰的出现（图5f）为场发射提供了直接证据。

场发射与介质击穿的竞争关系
通过调控介质厚度发现：较厚的聚酰亚胺薄膜（300 μm）虽能降低电容并提高输出电压，但会加剧场发射导致的能量曲线塌陷（图4g）。这表明在高电压条件下，场发射而非介质击穿成为主要限制因素。当介质厚度从25 μm增至300 μm时，最大输出能量密度从1.44 J m^-2提升至5.76 J m^-2（图4i），但仍低于理论值，证实场发射的抑制作用。

性能突破与理论修正
通过优化介质厚度（降低局部电场）和引入反向偏压（抑制电子隧穿），研究团队实现了11.44 J m^-2的循环能量密度，较前人报道提升近一个数量级。据此提出修正的TENGs电荷密度方程：
σ_TENG=min(σ_{contact electrification}, σ_{dielectric breakdown}, σ_{field emission}, σ_{air breakdown})
该方程将场发射列为第四大限制因素（公式10）。

结论与展望
此项研究颠覆了"介质击穿是TENGs终极限制"的传统认知，揭示场发射效应在高压条件下的主导作用。2.816 mC m^-2电荷密度的实现，不仅刷新了接触起电的理论上限，更为TENGs在能量收集（如自供电传感器）、静电催化等领域的应用开辟了新途径。未来研究可聚焦于：①开发抗场发射的介电材料；②通过边缘绝缘处理降低局部电场增强；③探索场发射在微纳尺度电荷转移中的普适性规律。这些发现或将引发对接触起电基础理论及其跨学科应用的重新思考。