铝箔基底柔性ZnO纳米线/PTAA杂化压电纳米发电机的开发及其界面调控机制研究

本研究针对ZnO基压电纳米发电机(PENG)存在的"内部屏蔽效应"问题，创新性地采用PTAA空穴注入层(HIL)进行界面调控。通过喷雾热解法和水化学生长(ACG)工艺在铝箔基底上构建ZnO纳米线阵列，结合PTAA层制备双层PENG器件。结果表明：PTAA层有效抑制自由载流子，使输出电压从620 mV提升至5.3 V，功率密度提高30倍达3.71 nW/cm2，为柔性自供电器件开发提供新思路。

　　

随着物联网(IoT)时代到来，开发柔性自供电器件成为解决能源危机的关键路径。压电纳米发电机(PENG)可将环境机械能转化为电能，其中氧化锌(ZnO)因其优异的压电系数(d₃₃=12 pCN^-1)和可调控的一维纳米结构备受关注。然而，ZnO固有的n型特性导致自由电子在压电场作用下向正极聚集，产生"内部屏蔽效应"，严重制约器件性能。传统解决方案如掺杂改性或表面钝化存在工艺复杂、稳定性差等缺陷。

BSACIST的研究团队在《Applied Surface Science》发表研究，创新性地将有机半导体聚双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺作为空穴注入层(HIL)，开发出铝箔基柔性ZnO纳米线/PTAA杂化PENG。采用喷雾热解法在铝箔上沉积ZnO种子层，通过水化学生长获得垂直排列的纳米线(长度2600±15 nm)，最后旋涂PTAA形成双层结构。XRD证实纤锌矿结构(晶粒尺寸44 nm)，拉曼光谱在1611 cm^-1(C-N键)和1325 cm^-1(C-C键)的特征峰验证了PTAA的成功负载。

生长机理与结构表征
FESEM显示ZnO纳米线沿c轴垂直生长，PTAA层完整包覆纳米线阵列。这种结构既保持ZnO的压电特性，又通过PTAA的5.2 eV低电离势实现高效空穴注入，中和自由电子。接触角测试证实PTAA的疏水性可防止O^2-和OH^-吸附，减少表面局域离子。

电学性能测试
纯ZnO PENG在手指敲击下仅产生620 mV交流电压，功率密度124 pW/cm²。引入PTAA后，输出电压跃升至5.3 V，功率密度达3.71 nW/cm²，提升近30倍。这种增强归因于：(1)PTAA空穴注入抵消ZnO导带电子；(2)疏水屏障减少环境分子吸附；(3)界面能级匹配促进电荷分离。

结论与展望
该研究通过PTAA界面工程有效解决了ZnO PENG的屏蔽效应难题，输出电压达到可驱动低功耗电子器件的水平。铝箔基底赋予器件优异柔性，喷雾热解和水化学生长工艺具有成本优势。未来可通过优化PTAA厚度或构建p-n异质结进一步提升性能，为可穿戴设备、智能传感器等提供新型能源解决方案。