CN113281380B - 一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统及方法 - Google Patents
一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113281380B CN113281380B CN202110552545.3A CN202110552545A CN113281380B CN 113281380 B CN113281380 B CN 113281380B CN 202110552545 A CN202110552545 A CN 202110552545A CN 113281380 B CN113281380 B CN 113281380B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrode
- alloy
- test
- trap
- dielectric
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 65
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 20
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 14
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 claims abstract description 7
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims abstract description 4
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims description 18
- 229920005570 flexible polymer Polymers 0.000 claims description 16
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 14
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 13
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 12
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 10
- XIUFWXXRTPHHDQ-UHFFFAOYSA-N prop-1-ene;1,1,2,2-tetrafluoroethene Chemical group CC=C.FC(F)=C(F)F XIUFWXXRTPHHDQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 9
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 9
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 claims description 9
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 8
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 7
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 7
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims description 7
- 239000005060 rubber Substances 0.000 claims description 7
- 239000004812 Fluorinated ethylene propylene Substances 0.000 claims description 6
- HQQADJVZYDDRJT-UHFFFAOYSA-N ethene;prop-1-ene Chemical group C=C.CC=C HQQADJVZYDDRJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000005187 foaming Methods 0.000 claims description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 6
- 229920009441 perflouroethylene propylene Polymers 0.000 claims description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims description 5
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 5
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims description 5
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 4
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 claims description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 4
- 239000010951 brass Substances 0.000 claims description 4
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 claims description 4
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims description 4
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229920001084 poly(chloroprene) Polymers 0.000 claims description 4
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 4
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 claims description 4
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000001856 Ethyl cellulose Substances 0.000 claims description 3
- ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N Ethyl cellulose Chemical compound CCOCC1OC(OC)C(OCC)C(OCC)C1OC1C(O)C(O)C(OC)C(CO)O1 ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229920000297 Rayon Polymers 0.000 claims description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 3
- 229920001249 ethyl cellulose Polymers 0.000 claims description 3
- 235000019325 ethyl cellulose Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 claims description 3
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 3
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 3
- 239000002964 rayon Substances 0.000 claims description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 2-methoxy-6-methylphenol Chemical compound [CH]OC1=CC=CC([CH])=C1O KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910000952 Be alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001152 Bi alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- 229910000925 Cd alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004641 Diallyl-phthalate Substances 0.000 claims description 2
- 229910000807 Ga alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 244000043261 Hevea brasiliensis Species 0.000 claims description 2
- 229910000846 In alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229920000877 Melamine resin Polymers 0.000 claims description 2
- 229910000861 Mg alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910000914 Mn alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001182 Mo alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001257 Nb alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 claims description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 2
- 229930040373 Paraformaldehyde Natural products 0.000 claims description 2
- 229910000978 Pb alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 claims description 2
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 claims description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 2
- 229920002367 Polyisobutene Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 2
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 2
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001128 Sn alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910000639 Spring steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001362 Ta alloys Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001080 W alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001297 Zn alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QUDWYFHPNIMBFC-UHFFFAOYSA-N bis(prop-2-enyl) benzene-1,2-dicarboxylate Chemical compound C=CCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCC=C QUDWYFHPNIMBFC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims description 2
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims description 2
- 229920002301 cellulose acetate Polymers 0.000 claims description 2
- 238000010382 chemical cross-linking Methods 0.000 claims description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 2
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 claims description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 2
- 239000005038 ethylene vinyl acetate Substances 0.000 claims description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 2
- IVJISJACKSSFGE-UHFFFAOYSA-N formaldehyde;1,3,5-triazine-2,4,6-triamine Chemical compound O=C.NC1=NC(N)=NC(N)=N1 IVJISJACKSSFGE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- DYDNPESBYVVLBO-UHFFFAOYSA-N formanilide Chemical compound O=CNC1=CC=CC=C1 DYDNPESBYVVLBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 2
- 229920003052 natural elastomer Polymers 0.000 claims description 2
- 229920001194 natural rubber Polymers 0.000 claims description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 claims description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 claims description 2
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 claims description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 2
- 229920001200 poly(ethylene-vinyl acetate) Polymers 0.000 claims description 2
- 229920000052 poly(p-xylylene) Polymers 0.000 claims description 2
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 claims description 2
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 claims description 2
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 claims description 2
- 229920000921 polyethylene adipate Polymers 0.000 claims description 2
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 claims description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 claims description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 2
- 229920000193 polymethacrylate Polymers 0.000 claims description 2
- 229920006324 polyoxymethylene Polymers 0.000 claims description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 2
- 229920003225 polyurethane elastomer Polymers 0.000 claims description 2
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 2
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 claims description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 2
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011669 selenium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 claims description 2
- KDYFGRWQOYBRFD-UHFFFAOYSA-L succinate(2-) Chemical compound [O-]C(=O)CCC([O-])=O KDYFGRWQOYBRFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims 1
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 claims 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 abstract description 7
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 abstract description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 abstract description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 36
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 35
- 239000010408 film Substances 0.000 description 19
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 2-Propenoic acid Natural products OC(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 2-(2-methoxy-5-methylphenyl)ethanamine Chemical compound COC1=CC=C(C)C=C1CCN SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZTQSAGDEMFDKMZ-UHFFFAOYSA-N Butyraldehyde Chemical compound CCCC=O ZTQSAGDEMFDKMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JOYRKODLDBILNP-UHFFFAOYSA-N Ethyl urethane Chemical compound CCOC(N)=O JOYRKODLDBILNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 238000010893 electron trap Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229920000840 ethylene tetrafluoroethylene copolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/04—Friction generators
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Testing Relating To Insulation (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
本发明涉及一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统及方法，属于电介质技术领域。该系统包括陷阱激励电源装置和测试样品室；陷阱激励电源装置包括独立层旋转式摩擦纳米发电机与旋转电动机，能够输出恒电荷、高电压，在电介质表面激励微功率的介质阻挡均匀放电，使得电子充分入陷、脱陷，产生足够强度且稳定的脱陷电流脉冲；测试样品室，用于固定被测电介质薄膜，并提供可控填充气体；测试电极结构可拆卸，能够更换不同测量模式的电极组；上下电极之间气隙距离能够调节。本系统具有无损、精准、二维成像的优势，进而获取高聚物薄膜材料表面陷阱态分布的详细信息，有助于功能材料的绝缘、储能、微纳表面特性等各项性能的检测与提升。
Description
技术领域
本发明属于电介质技术领域，涉及一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统及方法。
背景技术
陷阱态是一个至关重要且影响广泛的介观概念。陷阱态密度与陷阱能级分布是各类能源规模下的能量产生、存储、输送与变换器件与材料的重要基本参数。大量研究表明，表面陷阱态对于高聚物材料制备的器件性能具有广泛而显著的影响，比如应用于电力储能和高电压场合下的电气绝缘的聚合物电介质，以及能够产生清洁能源的太阳能薄膜电池、各类纳米发电机等等。在上述器件的生产制造过程中，由于组分材料的本征缺陷和添加剂的作用，能量水平处于禁带的局域态将在器件内部形成，即为电子陷阱态。陷阱态的存在，使得材料内出现了允许载流子停留的缺陷点，并进一步导致空间电荷聚积，最终造成器件电气性能与机械性能的劣化。因此，研究针对陷阱态密度的先进表征技术，对于提高能源材料性能与能源装备安全、构建高效可靠的能源互联网具有重要意义。
近年来，研究者已提出多种陷阱态分布的测量方法，有等温表面电位衰减法、热刺激电流法、光刺激放电法、电声脉冲法、光谱法、变频电导测试、驱动电平电容分析法等。现有方法的基本原理是利用外加电场或光激发形成入陷电子，再对被测材料施加变频电场、温升、辐照等外部激励，使位于陷阱中心能级的电荷脱陷，并测量与脱陷电流及其等效电路参数有关的实验结果，从而直接或间接计算得到整个样品的宏观陷阱态参数。然而，由于难以稳定控制单次测量中与外加物理场没有本征关系的入陷电荷与脱陷电荷的数量，已有方法得到的测试结果往往仅能用于定性比较与唯象学解释，这在一定程度上限制了相关学科的进一步发展。更为重要的是，表面陷阱态的分布成像仍然面临巨大挑战，该方法的实现对于先进能源材料精密加工的技术水平具有深远影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统及方法，使统中的摩擦纳米发电机作为恒电荷高压电源，能够稳定激发脱陷电流，并根据脱陷电流信号进行单点陷阱态参数分析，与多点扫描陷阱态成像。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统，包括陷阱激励电源装置、测试样品室，以及陷阱态参数提取分析方法；
所述陷阱激励电源装置包括独立层旋转式摩擦纳米发电机与旋转电动机，能够输出恒电荷、高电压，在电介质表面激励微功率的均匀的介质阻挡放电，进而使得电子充分入陷、脱陷，产生足够强度且稳定的脱陷电流脉冲；
所述测试样品室，用于固定被测电介质薄膜，并提供可控的温度、湿度、气压、不同种类的填充气体；测试电极结构可拆卸，并可更换不同测量模式的电极组；上下电极之间气隙距离可调节；
所述陷阱态参数提取分析方法包括总放电电流采集方法、脱陷电流提取方法以及陷阱态参数计算方法。
进一步，所述独立层旋转式摩擦纳米发电机包括传动装置和发电装置，所述传动装置包括联轴器和联动转轴，其作用是固定连接摩擦纳米发电机与外部旋转电机，摩擦纳米发电机运行所需要的机械能由外部旋转电机提供；所述发电装置包括上下两个定子圆盘和中间的转子摩擦层，以及定子与转子之间的缓冲层；所述定子圆盘朝向转子摩擦层的一面排列有两组内外互补分布的电极组，且内电极组以圆盘中心为中心点呈辐射状向边沿延伸，外电极组则以相反方向由边沿向圆盘中心延伸，相邻电极属于内外两个不同的电极组，且各电极圆心角度相同；所述转子摩擦层包括转子叶片和改性柔性聚合物薄膜，所述转子叶片与定子电极面积相同，共有两组转子叶片，以背靠背的方式分别面向上下定子内侧；所述改性柔性聚合物薄膜包覆在所述转子叶片上，聚合物薄膜的外侧表面能够完全覆盖一个定子电极的同时，而不与其相邻电极发生接触；所述定子与转子之间的缓冲层包括缓冲材料与支撑弹簧，缓冲材料填充在转子叶片与聚合物薄膜之间，支撑弹簧则被固定在两组转子之间，其目的是保持定子与转子的充分接触，提高摩擦起电电荷密度，并使其保持稳定。
进一步，所述定子电极材料选自金属或合金，其中金属包括金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒，合金包括铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
进一步，所述柔性聚合物薄膜和柔性聚合物材料均选自以下任意一种薄膜材料：聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚物、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯、酚醛树脂、氯丁橡胶、纤维素、天然橡胶、乙基纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、人造纤维、聚乙醇缩丁醛、纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚乙烯丙二酚碳酸盐、人造纤维、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、液晶高分子聚合物和派瑞林，其厚度不低于50μm。
进一步，所述改性柔性聚合物薄膜是指在柔性聚合物薄膜表面通过感应耦合等离子体反应刻蚀法制备纳米线结构，其制备方法为：将柔性聚合物薄膜用酒精和去离子水洗干净并干燥；使用溅射仪在全氟乙烯丙烯表面沉积一层Au纳米颗粒用来作为掩模诱导纳米线的形成；分别以10.0sccm、15.0sccm、30.0sccm的流速通入Ar、O2和CF4气体，使用高密度的等离子体产生器和等离子体加速器对全氟乙烯丙烯的表面进行刻蚀10分钟。
进一步，所述缓冲层材料为发泡聚苯乙烯、发泡聚氨基甲酸酯、乙烯-醋酸乙烯共聚橡胶或聚乙烯化学交联高发泡材料中的任意一种，支撑弹簧采用弹簧钢、不锈钢线、黄铜线中的任意一种。
进一步，所述独立层旋转式摩擦纳米发电机转子叶片和定子圆盘的组合方法是：将上下两个定子圆盘和中间两个转子叶片竖直排列，中心对齐，使用轴承将转子与转轴在垂直方向上固定，并采用连接销将其与转子内圆孔进行稳固，过程中需要保持两个转子不发生错位，然后旋转两个定子圆盘的角度，使其上方的电极位置相互对应；接着，调整转子叶片和上下两个定子圆盘之间的垂直距离，填入缓冲层与支撑弹簧并将其粘接固定，并使用铜线以串联的形式分别连接两组定子电极上的终端，并形成一对引出电极。
进一步，所述测试样品室包括外壳、测试电极、气体调节装置；所述测试样品室外壳为有机玻璃材质，具有良好透光性，上部盖板可开闭，盖板与四周贴合处采用橡胶垫密封圈，保持关闭后具有良好的气密性；测试电极在外壳内部中心位置，并留有引出接线端，测试电极具有两种模组：单针-板式和针阵列-板式，分别用于单点分析和多点扫描成像；所述单针-板式测试电极模组包括上部针电极、针电极高度调节旋钮以及底部平板电极，电极材料为黄铜、紫铜或镍铬合金，针电极尖端直径小于30微米，针电极的顶部连接螺柱与可调旋钮，通过旋钮控制针电极的垂直位置，平板电极尺寸可根据样品电介质尺寸调整；所述针阵列-板式测试电极模组包括上部针阵列电极、高度调节旋钮以及底部平板电极，针阵列电极以环氧树脂绝缘材料为基底，并在基底上固定一定数量的金属微针形成阵列分布，针尖直径0.5～10微米，针阵列的平面分布方式由陷阱态参数成像精度确定，各针电极之间相互绝缘，高度调节旋钮和底部平板电极与前述的单针-板电极模组相同；
进一步，所述气体调节装置包括进气口换气阀门、出气口换气阀门、气压表和导气管，安装在外壳的适当位置，其中气压表的作用为监测样品室内气压值，需耐负压；导气管需穿过外壳壁延伸入测试电极附近，保证最佳换气效果；导气管在样品室外的部分可使用橡胶或尼龙材质，延伸入样品室内的部分需采用环氧树脂或玻璃纤维增强环氧树脂等绝缘材料，两者之间通过进气口换气阀门衔接；出气口换气阀门安装在进气口的另一侧。
进一步，所述的陷阱激励电源装置与测试样品室的电气连接方式为，陷阱激励电源装置的引出端连接至测试电极的引出端，将输出电压施加在测试电极上，同时在测试回路中串入电流表，并且在测试电极两端并联电压表。
进一步，所述的总放电电流采集方法为，同时采集上述电流表和电压表的时序信号，记录放电电流的时域波形，以及放电电流脉冲存在期间的介质阻挡放电电压。
进一步，所述的脱陷电流提取方法为，假设总放电电流由极化电荷主导的阻挡放电电流和脱陷电荷主导的脱陷电流组成，并建立计及三种载流子(电子、离子、亚稳态粒子)动态演化的流体模型，根据实测的电介质表面电荷密度和介质阻挡放电电压形成边界条件，结合测试电极的针-板结构的二维几何特征，并且以泊松方程为电场收敛条件，计算出阻挡放电电流波形；接着，从总放电电流中减去阻挡放电电流，就得到脱陷电流的波形。具体计算公式将在后文的具体实施方式中详细说明。
进一步，所述的陷阱态参数计算方法为，根据前述计算得到的脱陷电流波形，按等温衰减电流理论公式计算出测试点的陷阱态密度和陷阱态能级分布；在成像测试中，若存在多个测试点，则依次求取陷阱态参数，并可按照其空间坐标绘制出陷阱态参数的二维分布。
本发明的有益效果在于：本系统具有无损、精准、二维成像的优势，进而获取高聚物薄膜材料表面陷阱态分布的详细信息，有助于功能材料的绝缘、储能、微纳表面特性等各项性能的检测与提升。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为独立层旋转式摩擦纳米发电机结构示意图；
图2为测试样品室结构示意图；
图3为陷阱态参数测试电气连接示意图；
图4为脱陷电流提取与陷阱态参数计算方法流程图；
图5为单点陷阱态参数测试结果；
图6为陷阱态参数成像结果。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明具体可应用于聚合物电介质薄膜的陷阱态参数表征与成像测试，为电介质改性提供有效的优化指标。本发明的核心思路是，利用摩擦纳米发电机稳定输出的低频高电压，通过针-板结构电极，在电介质表面产生周期性的介质阻挡放电，并驱动陷阱中的电子脱陷而参与到放电电流中；进而从放电电流中提取脱陷电流波形，并量化分析陷阱态参数，以此方式实现单点的陷阱态参数分析，与多点扫描的陷阱态参数成像。适用的测试电介质材料范围广泛，包括但不限于：各类绝缘高聚物电介质，导电聚合物，储能电介质，纳米改性电介质等。
图1展示的是独立层旋转式摩擦纳米发电机结构。独立层旋转式摩擦纳米发电机采用夹层结构，两个对称的定子-转子组合垂直耦合在同一个转轴上，每组都由一个具有电负性表面的转子和一个表面为铜材料的定子组成。所述转子由绝缘的、轻质的丙烯酸基片构成，其扇形部分分别包裹有氟化乙丙烯膜作为摩擦起电层，其中引入海绵材料缓冲层和弹簧阵列，使转子上的氟化乙丙烯膜转子摩擦层与定子上的铜电极保持紧密的电接触，以保证输出性能的稳定性。每个扇形单元的中心角为18°,转子共有5个单元。定子上由两组相互绝缘的扇形径向阵列构成，其形状与转子相同；因此，定子上的这两部分铜层可视为两个终端电极。转子和定子之间的距离经过充分的调整，一方面保持了电绝缘，另一方面使氟化乙丙烯膜仅与一个电极网络完全接触。此外，通过电感耦合等离子体在氟化乙丙烯膜表面刻蚀纳米结构，以维持更高的摩擦电荷密度和输出电压。独立层旋转式摩擦纳米发电机的两组定子-转子之间为串联关系，并用铜导线引出输出端。在本例中，独立层旋转式摩擦纳米发电机开路电压可达3kV以上。
图2展示的是测试样品室结构，包括可调节高度的针电极、作为样品载物台的圆板电极和气体控制装置。样品室配有直径为8mm的进气管和用于控制气体参数的气阀。样品室的顶盖是可拆卸的，以便更换阻挡介质样品。薄膜样品通过碳导电粘接层固定在板电极上。样品固定后，用螺钉将带有密封橡胶圈的上盖板固定在样品室外壳上，以保持良好的气密性。在开始测试之前，需要重置样品室的气体参数，使用抽气泵将气压抽至-0.05MPa后，再通入一定压强的氮气、氩气或氦气中的任意一种。在本例中，向样品室通入了0.03MPa的高纯氩气，以达到最佳的介质阻挡放电效果。
图3为陷阱态参数测试电气连接示意图。测试样品室作为外部负载连接到独立层旋转式摩擦纳米发电机，分别用高压探头和静电计进行放电电压和电流采集。应采用相对较高的采样频率(10kHz以上)以避免多重放电电流波形的混叠。将用作阻挡介质的薄膜样品固定在底板电极上，与上部针电极有1mm的间隙。陷阱激励电源装置开始运行后，介质阻挡放电随后将在样品室中周期性地产生，其存在判据可通过观察放电脉冲，或放电光谱测试获取。在本例中，旋转电机转速100转/分钟，样品室温度为室温，样品为乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜，直径50mm，厚度0.1mm。
图4为脱陷电流提取与陷阱态参数计算方法流程图。在提取过程中，输入参数由放电电压、电流波形的实测数据和与样品室结构有关的边界条件导出。脱陷电流涉及三种主要类型的载流子，包括电子、离子和亚稳态粒子。初始电场分布可根据初始边界条件确定，然后利用针-板电极结构的二维电场分布，进行迭代计算不同时刻t的载流子分布。因此，当针状电极的电势保持为正时，可以获得半个周期(T/2)内的势垒电流。计算过程的时间分辨率不低于0.1ms，与实测数据的采样周期保持一致。介质阻挡放电过程中载流子动态演化的数学模型涉及到三个连续性方程的求解，这些方程可以用柱坐标表示为：
其中，下标e,i,m分别代表电子、离子和亚稳态粒子，ne,ni,和nm分别代表三种粒子的密度。D是扩散系数，μ是载流子迁移率，可通过相关文献调研获得。在本例中，电子迁移率μe＝987cm2V-1s-1,离子迁移率μi＝14cm2V-1s-1，电子扩散系数De＝5430cm2s-1,离子和亚稳态粒子的迁移率分别为Di＝0.354cm2s-1和Dm＝0.6cm2s-1。t和E分别为时间和电场强度。k项代表各类载流子产生与损失的速率系数，包括逐步电离速率kem＝3.03×10-9×Ecm3s-1和复合速率krm＝7×105s-1，αi代表约化电离系数，αex为激励系数，两者都与电场强度E有关：
因此，式(1)～式(3)左侧的各项依次表示直接电离或激发、逐步电离和潘宁电离的贡献，以及亚稳原子因辐射和转换过程而产生的损失。泊松方程决定了电势的空间分布,可被描述为：
其中常数qc为1.81×10-6Vcm。电势的边界条件即为样品的放电电压，它对电场分布的动态演化有着重要影响。考虑到针尖附近的电场畸变，为便于计算，假设针尖处的初始电子分布为以下形式：
其中ne0＝1.4×108cm-3，d为电极间距，δ为电场畸变系数，可通过静电电压测量样品表面的电荷密度来确定。根据上述初始边界条件，可根据方程(5)确定初始电场分布，然后应用有限通量技术求解方程(1)～(5)。因此，阻挡放电电流可进一步通过下式计算：
其中Rd是电介质样品的直径，q是基本电荷量。然后从总放电电流中减去由式(7)计算的阻挡放电电流，以获得每个半周期中不同样品的脱陷阱电流信号IDT。
进一步，从脱陷电流IDT数据中可进一步得到陷阱态的能级与密度。假设单个放电通道中的电荷脱陷后不再发生入陷过程，并忽略空穴与电子的复合行为。基于等温衰减电流法的陷阱参数理论，陷阱态的能级Et和密度Nt的计算公式为：
Et＝kTln(νATE·t) (8)
其中，k为玻尔兹曼常量，T为温度，νATE为电子逃逸频率，一般取1012。
图5和图6分别为单点陷阱态参数测试结果和陷阱态参数成像结果。按照上述过程对被测样品的放电电压和放电电流信号进行分析后，能够得到陷阱态的能级Et和密度Nt的关系，即陷阱态参数的能级分布。测试结果与热刺激电流法较为近似，说明本方法的准确性。进一步采用针阵列-板电极进行多点扫描后，陷阱态参数在空间上的二维分布也随之产生。在本例中，各针电极测试点轮流进行导通测试，且相互之间通过环氧树脂基底绝缘，各点放电过程互不干扰。本实施例中，陷阱态能级检测范围为0.5～0.8eV，对应介质表面的浅陷阱能级。
本实施例中还提供各模块的制备方法，首先说明的是用于驱动介质阻挡放电的独立层旋转式摩擦纳米发电机的具体制作方法。独立层旋转式摩擦纳米发电机分别由上下两个电极层和中间的转子摩擦层所构成。具体地，上下两个电极层则由面积等大的定子圆盘所构成，其上分别排列有两组互补分布的铜电极，两组电极之间由切槽所隔开，并保证电气绝缘。中间的转子摩擦层是由双层5对转子叶片和柔性聚合物材料全氟乙烯丙烯薄膜共同组成，聚合物薄膜能够覆盖定子电极。电极板采用亚克力材质，外径尺寸在25cm～30cm为宜，内孔则与转轴相同，厚度12mm。使用激光切割机对电极板进行切割与凹槽加工后，在对应位置贴敷铜箔胶带形成导电层。
柔性聚合物材料的改性是指采用等离子体刻蚀法在全氟乙烯丙烯薄膜表面生长出纳米线结构。将50μm厚度的全氟乙烯丙烯薄膜用酒精和去离子水洗干净并干燥，其次使用溅射仪在全氟乙烯丙烯表面沉积一层Au纳米颗粒用来作为掩模诱导纳米线的形成；接着分别以10.0sccm、15.0sccm、30.0sccm的流速通入Ar、O2和CF4气体，使用高密度的等离子体产生器(400W)和等离子体加速器(100W)对全氟乙烯丙烯的表面进行刻蚀10分钟，得到通过纳米线结构改性的全氟乙烯丙烯薄膜。
独立层旋转式摩擦纳米发电机转子和定子的组合方法是，将上下两个定子圆盘和中间两个转子叶片竖直排列，中心对齐，使用轴承将转子与转轴在垂直方向上固定，并采用连接销将其与转子内圆孔进行稳固，过程中需要保持两个转子不发生错位，然后旋转两个定子圆盘的角度，使其上方的电极位置相互对应；接着，调整转子叶片和上下两个定子圆盘之间的垂直距离，填入缓冲层与支撑弹簧并将其粘接固定，并使用铜线以串联的形式分别连接两组定子电极上的终端，并形成一对引出电极。最后在定子四角引入螺柱结构，起到支撑固定作用。
所述的测试样品室整体长度和宽度均为300mm，高度200mm；外壳由有机玻璃材料制成，厚度15mm；电极高度可调范围20mm，精度0.05mm；圆板电极为紫铜材质，直径60mm，厚度10mm；单针电极紫铜材质，针尖直径35μm；针阵列电极基底为透明环氧树脂，直径60mm，厚度10mm，均匀排布24个镍铬合金测试针电极，针柄直径0.5mm，针尖直径0.5mm。测试过程使用的高压探头为TektronixP6015A，静电表为Keithley6514，采样频率10kHz。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像装置，其特征在于：包括陷阱激励电源装置和测试样品室；
所述陷阱激励电源装置包括独立层旋转式摩擦纳米发电机与旋转电动机，能够输出恒电荷、高电压，在电介质表面激励微功率的介质阻挡均匀放电，使得电子充分入陷、脱陷，产生足够强度且稳定的脱陷电流脉冲；
所述测试样品室，用于固定被测电介质薄膜，并提供可控的温度、湿度、气压、不同种类的填充气体；测试电极结构可拆卸，能够更换不同测量模式的电极组；上下电极之间气隙距离能够调节；
所述独立层旋转式摩擦纳米发电机包括传动装置和发电装置；
所述传动装置包括联轴器和联动转轴，用于固定连接摩擦纳米发电机与外部旋转电机，摩擦纳米发电机运行所需要的机械能由外部旋转电机提供；
所述发电装置包括上下两个定子圆盘和中间的转子摩擦层，以及定子与转子之间的缓冲层；
所述定子圆盘朝向转子摩擦层的一面排列有两组内外互补分布的电极组，且内电极组以圆盘中心为中心点呈辐射状向边沿延伸，外电极组则以相反方向由边沿向圆盘中心延伸，相邻电极属于内外两个不同的电极组，且各电极圆心角度相同；
所述转子摩擦层包括转子叶片和改性柔性聚合物薄膜；
所述转子叶片与定子电极面积相同，共有两组转子叶片，以背靠背的方式分别面向上下定子内侧；
所述改性柔性聚合物薄膜包覆在所述转子叶片上，聚合物薄膜的外侧表面能够覆盖一个定子电极的同时，而不与其相邻电极发生接触；
所述定子与转子之间的缓冲层包括缓冲材料与支撑弹簧，缓冲材料填充在转子叶片与聚合物薄膜之间，支撑弹簧则被固定在两组转子之间，其目的是保持定子与转子的充分接触，提高摩擦起电电荷密度，并使其保持稳定；
所述独立层旋转式摩擦纳米发电机中，转子叶片和定子圆盘的组合形式为：将上下两个定子圆盘和中间两个转子叶片竖直排列，中心对齐，使用轴承将转子与转轴在垂直方向上固定，并采用连接销将其与转子内圆孔进行稳固，过程中需要保持两个转子不发生错位，然后旋转两个定子圆盘的角度，使其上方的电极位置相互对应；接着，调整转子叶片和上下两个定子圆盘之间的垂直距离，填入缓冲层与支撑弹簧并将其粘接固定，并使用铜线以串联的形式分别连接两组定子电极上的终端，并形成一对引出电极；
所述测试样品室包括外壳、测试电极和气体调节装置；
所述测试样品室外壳为有机玻璃材质，上部盖板能够开闭，盖板与四周贴合处采用橡胶垫密封圈，保持关闭后具有良好的气密性；
所述测试电极在外壳内部中心位置，并留有引出接线端，测试电极具有两种模组：单针-板式测试电极模组和针阵列-板式测试电极模组，分别用于单点分析和多点扫描成像；所述单针-板式测试电极模组包括上部针电极、针电极高度调节旋钮以及底部平板电极，电极材料为黄铜、紫铜或镍铬合金，针电极尖端直径小于30微米，针电极的顶部连接螺柱与可调旋钮，通过旋钮控制针电极的垂直位置，平板电极尺寸可根据样品电介质尺寸调整；所述针阵列-板式测试电极模组包括上部针阵列电极、高度调节旋钮以及底部平板电极，针阵列电极以环氧树脂绝缘材料为基底，并在基底上固定一定数量的金属微针形成阵列分布，针尖直径0.5~10微米，针阵列的平面分布方式由陷阱态参数成像精度确定，各针电极之间相互绝缘，高度调节旋钮和底部平板电极与所述的单针-板式测试电极模组相同；
所述气体调节装置包括进气口换气阀门、出气口换气阀门、气压表和导气管，安装在外壳的适当位置，其中气压表的作用为监测样品室内气压值，需耐负压；导气管需穿过外壳壁延伸入测试电极附近，保证换气；导气管在样品室外的部分使用橡胶或尼龙材质，延伸入样品室内的部分需采用环氧树脂或玻璃纤维增强环氧树脂的绝缘材料，两者之间通过进气口换气阀门衔接；出气口换气阀门安装在进气口的另一侧。
2.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像装置，其特征在于：所述定子的电极材料选自单一金属或合金；
其中单一金属包括金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；
合金包括铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
3.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像装置，其特征在于：所述柔性聚合物薄膜和柔性聚合物材料均选自以下任意一种薄膜材料：聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚物、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯、酚醛树脂、氯丁橡胶、纤维素、天然橡胶、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、人造纤维、聚乙醇缩丁醛、纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚乙烯丙二酚碳酸盐、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、液晶高分子聚合物和派瑞林，厚度不低于50μm。
4.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像装置，其特征在于：所述改性柔性聚合物薄膜是在柔性聚合物薄膜表面通过感应耦合等离子体反应刻蚀法制备纳米线结构，制备方法为：将柔性聚合物薄膜用酒精和去离子水洗干净并干燥；使用溅射仪在全氟乙烯丙烯表面沉积一层Au纳米颗粒用来作为掩模诱导纳米线的形成；分别以10.0 sccm、15.0 sccm、30.0 sccm的流速通入Ar、O2和CF4气体，使用高密度的等离子体产生器和等离子体加速器对全氟乙烯丙烯的表面进行刻蚀10分钟。
5.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像装置，其特征在于：所述缓冲材料为发泡聚苯乙烯、发泡聚氨基甲酸酯、乙烯-醋酸乙烯共聚橡胶或聚乙烯化学交联高发泡材料中的任意一种，支撑弹簧采用弹簧钢、不锈钢线、黄铜线中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像装置，其特征在于：所述陷阱激励电源装置与测试样品室的电气连接方式为，陷阱激励电源装置的引出端连接至测试电极的引出端，将输出电压施加在测试电极上，同时在测试回路中串入电流表，并且在测试电极两端并联电压表。
7.基于权利要求1～6中任一项所述测量和成像装置的电介质陷阱态测量与成像方法：该方法包括总放电电流采集方法、脱陷电流提取方法和陷阱态参数计算方法；
总放电电流采集方法为，同时采集电流表和电压表的时序信号，记录放电电流的时域波形，以及放电电流脉冲存在期间的介质阻挡放电电压；
脱陷电流提取方法，假设总放电电流由极化电荷主导的阻挡放电电流和脱陷电荷主导的脱陷电流组成，并建立计及电子、离子和亚稳态粒子三种载流子的动态演化的流体模型，根据实测的电介质表面电荷密度和介质阻挡放电电压形成边界条件，结合测试电极的针-板结构的二维几何特征，并且以泊松方程为电场收敛条件，计算出阻挡放电电流波形；接着，从总放电电流中减去阻挡放电电流，就得到脱陷电流的波形；
陷阱态参数计算方法为，根据前述计算得到的脱陷电流波形，按等温衰减电流理论公式计算出测试点的陷阱态密度和陷阱态能级分布；在成像测试中，若存在多个测试点，则依次求取陷阱态参数，按照其空间坐标绘制出陷阱态参数的二维分布。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110552545.3A CN113281380B (zh) | 2021-05-20 | 2021-05-20 | 一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110552545.3A CN113281380B (zh) | 2021-05-20 | 2021-05-20 | 一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113281380A CN113281380A (zh) | 2021-08-20 |
| CN113281380B true CN113281380B (zh) | 2024-06-11 |
Family
ID=77280365
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110552545.3A Active CN113281380B (zh) | 2021-05-20 | 2021-05-20 | 一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113281380B (zh) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113791326B (zh) * | 2021-09-08 | 2024-06-14 | 严群 | 通过电介质层注入电流实现led器件光电性能测试的设备 |
| CN114039503A (zh) * | 2021-11-03 | 2022-02-11 | 中山大学 | 一种摩擦-电磁复合型发电装置及其性能测试平台和方法 |
| GB2618120A (en) * | 2021-11-03 | 2023-11-01 | Univ Sun Yat Sen | Friction-electromagnetic composite power generation device and performance test platform and method therefor |
| CN114675085B (zh) * | 2022-03-30 | 2025-07-04 | 重庆大学 | 一种基于摩擦纳米发电机的纳米颗粒填充电介质等效电容测试系统及方法 |
| CN114689474B (zh) * | 2022-03-30 | 2024-09-06 | 重庆大学 | 一种基于摩擦电效应的纳米流体分散性自驱动传感系统及检测方法 |
| CN114777211B (zh) * | 2022-04-12 | 2023-06-23 | 浙江师范大学 | 一种基于摩擦纳米发电机的自供能空调用空气净化装置 |
| CN115127439B (zh) * | 2022-05-13 | 2025-03-04 | 上海电力大学 | 一种转动角度向量传感器及旋转密码锁 |
| CN115566926B (zh) * | 2022-12-07 | 2023-03-21 | 中国科学院深海科学与工程研究所 | 一种混合摩擦纳米发电机 |
| CN115800807B (zh) * | 2022-12-26 | 2025-06-20 | 北京纳米能源与系统研究所 | 一种电荷激励的非接触恒电压摩擦纳米发电机 |
| CN117639406A (zh) * | 2024-01-12 | 2024-03-01 | 深圳市新枝科技有限公司 | 一种低能耗的自循环发电机 |
Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0270032A2 (en) * | 1986-11-29 | 1988-06-08 | New Oji Paper Co., Ltd. | Electrostatic recording method |
| WO2002059631A1 (en) * | 2001-01-26 | 2002-08-01 | Semiconductor Diagnostics, Inc. | Steady state method for measuring the thickness and the capacitance of ultra thin dielectric in the presence of substantial leakage current |
| JP2003344246A (ja) * | 2002-05-22 | 2003-12-03 | Isi:Kk | ナノ構造超微細素材の検査識別方法とそのシステムおよびそれによって得られた機能性ナノ構造超微細素材 |
| CN101004433A (zh) * | 2007-01-12 | 2007-07-25 | 西安交通大学 | 一种聚合物绝缘材料陷阱参数测量方法及系统 |
| WO2008115383A2 (en) * | 2007-03-19 | 2008-09-25 | Boston Scientific Neuromodulation Corporation | Methods and apparatus for fabricating leads with conductors and related flexible lead configurations |
| WO2012110924A1 (en) * | 2011-02-15 | 2012-08-23 | Basf Se | Detector for optically detecting at least one object |
| CN102684546A (zh) * | 2012-05-15 | 2012-09-19 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 一种摩擦发电机 |
| CN103814199A (zh) * | 2011-09-20 | 2014-05-21 | 光帆能源公司 | 使用涡轮机的压缩气体能量储存系统 |
| WO2014139347A1 (zh) * | 2013-03-12 | 2014-09-18 | 国家纳米科学中心 | 一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法 |
| CN104362885A (zh) * | 2014-12-03 | 2015-02-18 | 重庆大学 | 一种能提高能量转换效率的电容式发电机及其制备方法 |
| DE102014005219A1 (de) * | 2014-03-28 | 2015-10-01 | Josip Mihaljevic | Verfahren und System zum Bilden einer optischen Falle |
| CN108233761A (zh) * | 2018-01-30 | 2018-06-29 | 华南理工大学 | 含有电子接收层的摩擦纳米发电机及其制备方法 |
| CN110726756A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-01-24 | 大连海事大学 | 基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器 |
| CN111404417A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-07-10 | 东华大学 | 一种介质层增强型摩擦纳米发电机 |
| CN112253392A (zh) * | 2020-10-15 | 2021-01-22 | 重庆大学 | 一种面向能源互联网的复合微纳能源自驱动系统 |
| WO2021177489A1 (ko) * | 2020-03-05 | 2021-09-10 | 엘지전자 주식회사 | 마찰 발전 장치 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8226811B2 (en) * | 2005-11-02 | 2012-07-24 | May-Ruben Technologies, Inc. | High impedance system for generating electric fields and method of use |
| US7626193B2 (en) * | 2006-03-27 | 2009-12-01 | Princeton Lightwave, Inc. | Apparatus comprising a single photon photodetector having reduced afterpulsing and method therefor |
| US8466687B2 (en) * | 2010-09-20 | 2013-06-18 | The Aerospace Corporation | System and method for detecting defects |
| DE102012109809B3 (de) * | 2012-10-15 | 2013-12-12 | Xtreme Technologies Gmbh | Vorrichtung zur Erzeugung von kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung auf Basis eines Gasentladungsplasmas |
-
2021
- 2021-05-20 CN CN202110552545.3A patent/CN113281380B/zh active Active
Patent Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0270032A2 (en) * | 1986-11-29 | 1988-06-08 | New Oji Paper Co., Ltd. | Electrostatic recording method |
| WO2002059631A1 (en) * | 2001-01-26 | 2002-08-01 | Semiconductor Diagnostics, Inc. | Steady state method for measuring the thickness and the capacitance of ultra thin dielectric in the presence of substantial leakage current |
| JP2003344246A (ja) * | 2002-05-22 | 2003-12-03 | Isi:Kk | ナノ構造超微細素材の検査識別方法とそのシステムおよびそれによって得られた機能性ナノ構造超微細素材 |
| CN101004433A (zh) * | 2007-01-12 | 2007-07-25 | 西安交通大学 | 一种聚合物绝缘材料陷阱参数测量方法及系统 |
| WO2008115383A2 (en) * | 2007-03-19 | 2008-09-25 | Boston Scientific Neuromodulation Corporation | Methods and apparatus for fabricating leads with conductors and related flexible lead configurations |
| WO2012110924A1 (en) * | 2011-02-15 | 2012-08-23 | Basf Se | Detector for optically detecting at least one object |
| CN103814199A (zh) * | 2011-09-20 | 2014-05-21 | 光帆能源公司 | 使用涡轮机的压缩气体能量储存系统 |
| CN102684546A (zh) * | 2012-05-15 | 2012-09-19 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 一种摩擦发电机 |
| WO2014139347A1 (zh) * | 2013-03-12 | 2014-09-18 | 国家纳米科学中心 | 一种滑动摩擦纳米发电机及发电方法 |
| DE102014005219A1 (de) * | 2014-03-28 | 2015-10-01 | Josip Mihaljevic | Verfahren und System zum Bilden einer optischen Falle |
| CN104362885A (zh) * | 2014-12-03 | 2015-02-18 | 重庆大学 | 一种能提高能量转换效率的电容式发电机及其制备方法 |
| CN108233761A (zh) * | 2018-01-30 | 2018-06-29 | 华南理工大学 | 含有电子接收层的摩擦纳米发电机及其制备方法 |
| CN110726756A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-01-24 | 大连海事大学 | 基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器 |
| WO2021177489A1 (ko) * | 2020-03-05 | 2021-09-10 | 엘지전자 주식회사 | 마찰 발전 장치 |
| CN111404417A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-07-10 | 东华大学 | 一种介质层增强型摩擦纳米发电机 |
| CN112253392A (zh) * | 2020-10-15 | 2021-01-22 | 重庆大学 | 一种面向能源互联网的复合微纳能源自驱动系统 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Corona Charging of Polymers:Recent Advances on Constant Current Charging;Jose A et al.;《Brazilian Journal of Physics》;19990630;第29卷(第2期);第269-279页 * |
| Direct-Current Rotary-Tubular Triboelectric Nanogenerators Based on Liquid-Dielectrics Contect for Sustainable Energe Harvesting and Chemical Composition Analysis;Jiyu Wang et al.;《ACS Nano》;20190205(第13期);第2587-2598页 * |
| 摩擦纳米发电机在自驱动微系统研究中的现状与展望;张弛;付贤鹏;王中林;;机械工程学报;20190401(第07期);第105-117页 * |
| 聚合物材料空间电荷陷阱模型及参数;廖瑞金等;《物理学报》;20121231;第61卷(第1期);第1-6页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113281380A (zh) | 2021-08-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113281380B (zh) | 一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统及方法 | |
| Liang et al. | Liquid–solid triboelectric nanogenerator arrays based on dynamic electric‐double‐layer for harvesting water wave energy | |
| CN108445310B (zh) | 一种聚合物表面电荷与陷阱能级特性测量装置及方法 | |
| Kressmann et al. | Space-charge electrets | |
| CN100485401C (zh) | 一种聚合物绝缘材料陷阱参数测量方法及系统 | |
| CN113138345B (zh) | 一种利用对称电池评估锂离子电池性能的方法 | |
| Zhao et al. | Correlation between trapping parameters and surface insulation strength of solid dielectric under pulse voltage in vacuum | |
| Gerhard-Multhaupt | Electrets: Dielectrics with quasi-permanent charge or polarization | |
| CN103618499B (zh) | 一种太阳能电池片pid测试装置及测试方法 | |
| Lin et al. | Introducing adaptive cold atmospheric plasma: The perspective of adaptive cold plasma cancer treatments based on real-time electrochemical impedance spectroscopy | |
| CN109856557A (zh) | 一种在线监控锂离子电池电化学阻抗测试方法 | |
| CN113267593B (zh) | 定量检测电池内部电解液分布的方法 | |
| CN102841123A (zh) | 一种固体电介质材料陷阱参数测量装置及测量方法 | |
| Oyama et al. | Means to remove electrode contamination effect of Langmuir probe measurement in space | |
| CN102944763A (zh) | 一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统及方法 | |
| CN108508282A (zh) | 一种薄膜材料表面电位的测量设备 | |
| Lagomarsini et al. | Outstanding performance of parylene polymers as electrets for energy harvesting and high‐temperature applications | |
| CN112379294A (zh) | 一种锂离子电池性能衰减的分析方法 | |
| CN208506142U (zh) | 一种薄膜材料表面电位的测量设备 | |
| CN110398672B (zh) | 一种测量绝缘材料电离及电荷迁移参数的试样结构及方法 | |
| Ingram et al. | Design and use of a gridded probe in a low‐pressure rf argon discharge | |
| CN104237659A (zh) | 一种电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置及方法 | |
| Wang et al. | Rapid state of health estimation of lithium-ion batteries based on an active acoustic emission sensing method | |
| CN103389508A (zh) | 用于电子加速器束流强度实时监测的装置 | |
| CN114047229A (zh) | 一种聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置及方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |