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            王中林院士近期工作精選匯總

            王中林院士近期工作精選匯總

            王中林院士近期工作精選匯總

            1、Adv. Funct. Mater:由生物力學運動驅動和調節的自供電離子滲透皮下給藥系統


            具有反饋控制的透皮給藥(TDD)系統以其獨特的便捷性、自我給藥和安全性等優點而被廣泛的研究,以希望進入臨床應用?;诖?,美國佐治亞理工學院的王中林院士(通訊作者)團隊報道了一種自供電的可穿戴離子電滲療法TDD系統。該系統可以通過從生物力學運動中收集能量用于驅動和調節,以進行閉環運動檢測和治療??纱┐魇侥Σ岭娂{米發電機(TENG)被用作運動傳感器和能量收集器,可以在不使用存儲電能的情況下將生物力學運動轉化為電能進行離子電滲療法,同時設計了一種基于水凝膠的柔性貼片,該貼片具有并排的電極,以實現無創離子熱療TDD。并且作者以豬皮染料為模型藥物的概念,成功地證明了該系統的可行性??傊?,該工作不僅擴展了TENG在生物醫學領域的應用,而且為無創的電輔助TDD的閉環檢測和治療提供了一種經濟有效的解決方案。


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            文章信息:Changsheng Wu, Zhong Lin Wang* et al. Self-Powered Iontophoretic Transdermal Drug Delivery System Driven and Regulated by Biomechanical Motions. Adv. Funct. Mater.2019, DOI: 10.1002/adfm.201907378.


            2、Adv. Mater.:機械刺激控制的壓電隧道結


            現今,隧道結(Tunneling junction)被廣泛用于高頻振蕩器、非易失性存儲器和磁感應器等設備中。并且都通過調控電或電磁可以對這些設備的屏障寬度和/或高度進行調控。然而,目前在國內外很少報道通過外界刺激調控隧道結,但這種現象又普遍存在于環境中。因此,發展機械刺激調控隧道結的機理對量子力學的發展具有重要意義。


            基于上述考慮,中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士和蘭州大學的Yong Qin(共同通訊作者)聯合報道了一種新型的壓電隧道結(PTJ)機理,其中量子隧道受外部施加的機械刺激控制/調整。在這些金屬/絕緣體/壓電半導體PTJ中,可以通過壓電效應來機械地調節隧道勢壘的高度和寬度,例如Pt/Al2O3/p-GaN。PTJs的隧穿電流特性作為外部機械刺激的函數表現出臨界行為,導致高靈敏度(約5.59 mV MPa-1)、巨大轉換(>105)和快速響應(約4.38 ms)。


            此外,該系統還研究了不同厚度的Al2O3在PTJs中的隧穿傳輸的機械控制。這些金屬/絕緣體/壓電半導體PTJs具有優異的性能因而在機電技術方面具有巨大的應用潛力??傊?,該研究不僅證明了量子隧穿的動態機械控制,而且還為量子隧穿與機械刺激之間的自適應相互作用鋪平了道路,在超靈敏壓力傳感器、人機界面和人工智能等領域具有潛在的應用價值。


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            文章信息:Shuhai Liu, Yong Qin * and Zhong Lin Wang*, et al. Piezotronic Tunneling Junction Gated by Mechanical Stimuli. Adv. Mater.2019, DOI: 10.1002/adma.201905436.


            3、Nano Energy:在InGaN/GaN半浮式微盤LED陣列中的不均勻壓電效應


            基于氮化鎵(GaN)的LEDs在固態照明和全彩色顯示器中應用廣泛而備受關注。盡管藍光LEDs的內部量子效率很高,但其外部量子效率仍然不理想。雖然一些基于平面InGaN/GaN量子阱的光電器件可以通過壓電效應進行有效調制,但是這些研究都集中在簡單壓電材料和器件中的均勻壓電效應上。因此,很少研究關于復雜微/納米光電/電子器件中的不均勻壓電效應。

            基于此,中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士、胡衛國研究員和日本千葉大學的Bei Ma(共同通訊作者)聯合報道了一種各向同性和各向異性結合的干法刻蝕工藝,制備出一種新型半浮式InGaN/GaN微盤LED陣列,其光強度顯著提高了150%。利用微光譜和Poisson-Schrodinger耦合的自洽計算研究表明,微盤LED上存在不均勻的殘余應力分布。發現沿著微盤中心到微盤邊緣,隨著Si襯底被蝕刻掉,GaN層中的面內拉應力減小,而InGaN層中的壓應力逐漸增大。

            同時,微型磁盤LED中存在的這種梯度應力分布引起了不均勻的壓電效應,進而導致沿微型磁盤中心到微型磁盤邊緣發射的光的最大波長偏移為16 meV。該研究不僅有助于研究柔性光電效應,而且發現在復雜的微/納米光電/電子設備中也存在不均勻的壓電效應,為顯著提高微盤LED的發光效率提供了新思路。


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            文章信息:Ting Liu±, Ding Li±, Hai Hu±, Bei Ma*, Weiguo Hu* and Zhong Lin Wang*, et al. Piezo-phototronic Effect in InGaN/GaN Semi-Floating Micro-disk LED Array. Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104218.
            4、Nano Energy:摩擦電納米發電機的自雙倍整流


            如今,功率管理策略和相應的電路是摩擦電動納米發電機(TENGs)轉向實際應用中不可逾越的兩個瓶頸。因此,為了給電子設備供電,TENG需要解決將交流電(AC)轉換成直流電(DC),并提高能量輸出兩個主要任務。


            基于上述考慮,美國佐治亞理工學院的王中林院士和清華大學的Xiaohong Wang(共同通訊作者)等人聯合報道了一種名為TENG的自雙倍整流(SDR-TENG)的功率管理策略,這是第一種根據TENG的獨特性精心定制的交流到直流轉換方法。其中,SDR-TENG將TENG的每個操作周期分為兩個方向,而每個方向具有不同的輸出方向,并將一個周期的輸出保持在TENG的內部電容器中,直到下一個周期全部釋放。通過這種策略將輸出電壓最多可以增加一倍,輸出能量可以增加兩倍,并且峰值輸出功率可以增加四倍。此外,只需兩個二極管即可輕松實現SDR-TENG,并且可以與所有其他功率管理策略兼容??傊?。相信該策略可以成為標準的功率管理模塊,并且可以進一步拓寬TENG器件在各個領域中的應用。


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            文章信息:SixingXu, Xiaohong Wang* and Zhong Lin Wang*, et al. Self-doubled-rectification of triboelectric nanogenerator. Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104165.


            5、Nano Energy:在p-型半導體上滑動n-型半導體形成的直流摩擦電池


            摩擦發電機是通過利用摩擦電感應和靜電感應效應來收集機械能的一種設備。當兩種具有不同電子親和力的材料接觸時,由于摩擦帶電,電子在接觸的表面上發生轉移。當兩種材料以不同接觸表面積相對滑動時,在外部電路中會因靜電感應而產生交流電。然而,關于產生直流電的報道卻很少。


            基于此,中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士和新加坡南洋理工大學的Qing Zhang(共同通訊作者)等人聯合報道了一種新型的發電機,稱為摩擦電池。它基于n-型和p-型摻雜半導體之間的滑動摩擦且不改變接觸面積的摩擦器件。在動態p-n結的接觸表面上,沿著內置電場的方向產生直流電流,并從p-型半導體通過外部電路流向n-型半導體。同時,作者通過滑動速度、加速度、接觸力、工作溫度和頂部電極的幾何形狀來研究產生的電流和電壓。而直流電流的產生是由于在兩個滑動表面上產生的電子-空穴對,然后它們被內置電場掃出動態結。


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            文章信息:RanX, Qing Zhang*, and Zhong Lin Wang*, et al. Direct current triboelectric cell by sliding an n-type semiconductor on a p-type semiconductor. Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104185.
            6、Adv. Energy Mater.:利用光柵電極激發表面等離子體提高摩擦電納米波發生器的輸出性能


            根據大量研究發現,摩擦電納米發電機(TENGs)的表面電荷密度和輸出阻抗是阻礙TENGs商業化的兩個關鍵因素,因此,探索出來降低輸出阻抗和增加表面電荷密度的獨特方法顯得異常重要?;谏鲜隹紤],中科院北京納米能源與系統研究所的Ya Yang和王中林院士聯合重慶大學的Xiaojing Mu(共同通訊作μ者)等人共同報道了一種利用光柵電極驅動的使表面等離子體激發來有效提高TENG的輸出性能,同時降低TENG的輸出阻抗的方法。


            通過TENG上的光柵耦合表面等離子體激發共振以及線密度下的鋁光柵電極,在600 lines mm-1的線密度下,可產生約40 μA(短路電流)和350 V(峰值電壓為10 MΩ的峰值電壓)的可持續且增強的輸出性能。并其在1 MΩ的負載電阻下,可提供3.6 mW的峰值輸出功率,從而將輸出功率提高4.5倍以上,并使輸出阻抗降低75%。最后,作者利用自供電的超聲波測距系統來驗證TENG為便攜式電子設備供電的能力。此外,該研究結果可能為改進TENGs的輸出特性提供新的見解,并加速TENGs的商業化和應用。


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            文章信息:Lingxiao Gao, Xiaojing Mu*, Zhong Lin Wang*, and Ya Yang*, et al. Enhancing the Output Performance of Triboelectric Nanogenerator via Grating-Electrode-Enabled Surface Plasmon Excitation. Adv. Energy Mater.2019, DOI:10.1002/aenm.201902725.


            7、ACS Nano:利用壓電效應調制出柔性AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管


            眾所周知,柔性電子技術由于其在醫療保健、機器人技術和人工智能等領域具有廣泛應用前景而備受關注。由于AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMTs)具有高飽和漂移速度、寬帶間隙和優異的頻率等優異特性,因而其是射頻(RF)、微波器件等的最佳選擇。然而,由于生長動力學的限制,AlGaN/GaN HEMTs通常在Si/藍寶石或SiC等剛性基板上制備,因而它們無法應用于非平面環境且難以變形。雖然利用基底轉移技術可以提高了其柔性,但調制范圍非常有限。因此,開發出可以承受較大的機械變形的柔性壓電器件顯得非常重要。


            基于此,中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士和胡衛國研究員(共同通訊作者)等人聯合報道了一種低損傷和晶片規?;幕邹D移技術,并利用該技術成功的制備了柔性AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMTs)。柔性AlGaN/GaN HEMTs具有出色的電氣性能,在Vgs=+2 V時,Id,max可達到290 mA/mm,且gm,max達到40 mS/mm。壓電效應為優化器件性能提供了一種不同的自由度,使得柔性HEMTs可以承受更大的機械變形?;趬弘娦?,作者施加了一個外部應力以顯著調節柔性HEMTs的電性能??傊?,利用壓電效應調制的柔性AlGa/ GaN HEMTs在人機界面、智能微電感器系統和有源傳感器等方面具有巨大的應用潛力,并為傳感或反饋外部機械刺激等提供了新見解。


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            文章信息:Jiyuan Zhu#, Xingyu Zhou#, Weiguo Hu* and Zhong Lin Wang*, et al. Piezotronic Effect Modulated Flexible AlGaN/GaN High-ElectronMobility Transistors. ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b05999.

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