钇掺杂氧化锌基高性能压电与摩擦电纳米发电机在自供能电子器件中的应用研究

为解决可穿戴电子设备依赖传统电池的瓶颈问题，研究人员通过钇掺杂氧化锌(YZnO)/PVDF纳米复合薄膜构建了柔性压电纳米发电机(PENG)和摩擦电纳米发电机(TENG)。最优器件输出分别达162V/0.89mW/cm2(PENG)和520V/1.26mW/cm2(TENG)，成功驱动LED及小型电子设备，并实现人体运动能量采集。该研究为环境机械能收集提供了高性能可持续解决方案。

　　

随着可穿戴电子和植入式医疗设备的普及，传统锂电池的寿命短、容量低等问题日益凸显。如何从环境中获取可持续能源成为研究热点，其中利用压电效应(PENG)和摩擦起电效应(TENG)将机械能转化为电能的技术尤为引人注目。锌氧化物(ZnO)等压电材料虽性能优异，但脆性大、柔性差限制了其应用。为此，研究人员将目光投向聚合物基复合材料——通过将功能纳米填料与聚偏氟乙烯(PVDF)结合，既能保持材料柔性，又能通过β晶相(TTTT分子排列)增强压电性。特别是钇(Y³⁺)掺杂的ZnO(YZnO)，因其能产生氧空位、提升载流子浓度，使压电系数d₃₃高达420pm/V，成为理想填料。

国内研究人员通过共沉淀法合成YZnO纳米颗粒，采用溶液浇铸法制备不同重量百分比(0-20wt%)的YZnO/PVDF复合薄膜。通过XRD、FESEM等表征确认材料结构，并构建三明治结构的PENG和接触分离式TENG器件。测试表明，15wt% YZnO的PENG输出达162V/0.89mW/cm²，同组分TENG更实现520V/1.26mW/cm²的超高输出，成功点亮LED阵列并为电子表供电。人体运动测试中，器件能有效捕获肘部弯曲、手指敲击等动作产生的能量。

结构表征
XRD显示YZnO保持纤锌矿结构，FESEM显示粒径约100nm的均匀颗粒。FTIR证实YZnO促进PVDF中β相形成，15wt%样品β相含量最高，与DSC测得的结晶度变化一致。

机电性能
压电系数d₃₃测试显示15wt%样品达最佳值。PENG在15Hz频率、8N力下输出峰值电压162V，功率密度0.89mW/cm²；TENG在相同条件下电压达520V，瞬时可点亮40个LED。

应用验证
器件成功将人体运动(行走、关节弯曲)转化为电能，并驱动温湿度传感器等小型电子设备连续工作，证实其实际应用潜力。

该研究创新性地将高d₃₃值的YZnO与PVDF复合，通过β相调控和氧空位工程显著提升器件性能。PENG和TENG的协同设计为自供能系统提供了新思路，其环保、柔性、高效率的特点特别适合可穿戴设备和物联网传感器应用。论文发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》，为绿色能源收集技术发展提供了重要参考。