可穿戴电子设备、无线传感器以及物联网的快速发展，使得人们对能够独立于传统电源运行的可持续、分散式能源技术的需求日益增加。能量收集技术通过将环境中的闲置能量转化为可用电能，被视为解决这一问题的有效策略。在各类能量收集方法中，机械能量收集尤为值得关注，因为日常环境中到处存在低频机械运动。摩擦电纳米发电机通过接触带电和静电感应将机械能转化为电能[1,2]，由于其在低频条件下的高功率密度、材料多样性以及可大规模制造的优点，受到了广泛关注[3,4]。这些优势使得摩擦电纳米发电机成为下一代自供电系统的理想候选者。
与传统依赖半导体或压电材料、且对晶体结构、成分或相态有严格要求的能量转换技术不同，摩擦电纳米发电机可以利用种类极为丰富的材料制成，包括聚合物[5]、陶瓷[6]、金属[7]、纸张[8]、纺织品[9]、水凝胶[10]，甚至是天然材料或废弃物衍生材料[11,12]。这种材料多样性有助于设计出低成本、轻便且柔性的装置，同时还能轻松与织物、曲面和建筑材料等非传统基底结合[13]。在众多用于摩擦电纳米发电机的碳基纳米材料中，石墨烯及其衍生物[14,15]、碳纳米管[16]、石墨碳氮化物（g-C3N4）[17]以及碳点[18]都很有前景，而类金刚石碳则因其兼具类金刚石与石墨的特性而备受重视[19,20]。类金刚石碳具有高硬度、优异的化学稳定性、低摩擦系数、出色的耐磨性以及可调控的微观结构[21,22]。这些特性使其既能作为摩擦电纳米发电机中的绝缘层，也能充当保护涂层，因为在这些应用中，机械强度和长期稳定性至关重要。
不过，传统的类金刚石碳合成方法通常依赖于化学气相沉积和物理气相沉积等真空技术[24]，这类方法需要复杂的设备以及苛刻的加工条件。相比之下，电沉积技术则是一种更具成本效益且可大规模应用的替代方案，它可在常压和接近室温的条件下进行，同时具备较高的沉积速率和良好的成分调控能力[25,26]。近期关于电沉积类金刚石碳的研究表明，通过掺杂可以有效地改变材料的固有属性，从而提升其在超级电容器[27]、抗菌涂层[28]以及具有可调电学和光电功能的器件[29]等方面的性能。
在类金刚石碳薄膜中掺入金属是一种成熟的改进材料摩擦性能并延长其使用寿命的方法，其原理是通过降低残余应力并调控材料力学性能来实现。无论是形成碳化物的金属（如钛、钨、铬和钼），还是不形成碳化物的元素（如铝、铜和银），都能通过促进更接近石墨结构的键合方式来降低残余应力[30]，同时增强薄膜与基底的粘附力，从而避免在机械接触过程中出现裂纹或剥落现象[31]。这种形成的石墨结构不仅能起到内部应力释放的作用，还能作为电荷捕获点，有助于提高电荷保持能力，进而提升摩擦电纳米发电机的电能输出[32,33]。在这些金属掺杂剂中，钛尤其具有优势。即便在较低浓度下，钛掺杂也能显著降低残余应力、提升耐磨性并增强薄膜与基底的粘附力[30]，这些特性对于制造耐用的摩擦电纳米发电机电极非常有利。此外，电沉积过程所处的富碳富氧环境有利于钛与周围物质发生反应，从而形成碳化钛和二氧化钛相[[34], [35], [36]]。这些含钛相具有绝缘性和半导体特性，能够进一步提升摩擦电性能[37,38]。
在本研究中，我们通过电沉积法制备了掺钛类金刚石碳薄膜，并将其用作摩擦电纳米发电机中的摩擦电层。在薄膜生长过程中，通过向电沉积浴中加入三氯化钛，实现了钛元素的掺入。我们从表面形貌、元素组成、微观结构以及TENG性能等多个方面，系统研究了钛掺入对类金刚石碳薄膜的影响。本研究展示了如何通过完全基于溶液法的工艺，在同一层类金刚石碳涂层中同时实现摩擦电功能和光电功能。与传统仅依靠机械刺激的摩擦电材料不同，掺钛类金刚石碳薄膜中含有原位生成的二氧化钛纳米相，无需额外添加层或复杂的结构设计即可具备光活性。这种双功能设计使得电荷生成可以直接在摩擦电层内实现，形成了一种协同的能量转换机制，据我们所知，此前在电沉积类金刚石碳系统中尚未见到此类机制。
