借衬底之力:水与石墨烯相互作用

近年来,由于现代人类社会日益增长的能源需求,能够直接从我们的生活环境中获取能量的纳米发电机已成为了研究热点。作为一个清洁并且可再生的能源,水流的机械能一直全天候的围绕着我们的日常生活。自从2001年在理论上提出了流动液体中的碳纳米管可以产生电流以来,碳纳米管已经被广泛用来获取几个毫伏的这种水流感应电压,并且这种电压对碳纳米管的类型、水中离子的电导率和液体的极性性质非常的敏感。然而,在各自独立实验中,报导的电压结果具有十分显著的差并且提出了各种各样物理机制来解释观察到的电压输出。

作为碳材料的基本成员,水或极性液体在石墨烯表面流动也能产生水流感应电压。近期许多研究工作指出,在石墨烯表面流动的含离子的水滴可以在流动方向上产生感应电压,不含离子的水滴则不能在石墨烯表面引起一个能够观察到的电压信号。但是,与此同时,同样有报导指出非离子液体的流动同样可以在石墨烯表面感应出水流感应电势。在这些工作中,提出的机理都主要是在考虑石墨烯和水之间的相互电荷作用,石墨烯下层衬底的影响却很少被考虑在内。由于石墨烯只有一个原子层的厚度,考虑到在报导中的对于非离子液体的实验结果的巨大的差异,我们有理由相信底层的衬底在石墨烯水流感应电压的产生过程中扮演着关键的角色。

根据以上推测,基于对石墨烯/半导体异质器件的理解,浙江大学林时胜研究团队提出了一种石墨烯/压电薄膜(其中衬底为PVDF、LiNbO3等)异质器件来研究衬底在石墨烯水流感应电压产生过程的具体作用。他们观察到,与先前的工作结果不同的是(其中衬底是SiO2/Si、聚酯对苯二甲酸酯(PET)等),去离子水滴在该异质器件中石墨烯表面上的流动仍然可以产生一个明显的电压输出。该电压与水的极性,石墨烯的电阻和压电衬底的压电常数在一定程度上成正比例关系。另一方面,由于石墨烯的屏蔽作用,该电压随着石墨烯层数的增加而急剧减小。通过用一根毛笔来增加施加在压电衬底上的压力,他们观察到了高达0.1伏特的电压输出。

AFM-linshisheng

在实验的基础上,浙江大学林时胜研究团队与中国科技大学吴恒安研究团队合作进行了石墨烯水滴发电的数值模拟;吴恒安研究团队的第一性原理计算表明在衬底表面由于水滴的重力的影响而产生的压电电荷会在石墨烯的上表面诱导出一层定向排列的水分子或者离子,来和石墨烯层一起屏蔽产生的压电电荷。当水滴在石墨烯表面移动时,由于水滴中的离子或水分子的运动速度比石墨烯的载流子慢几个数量级,所以水滴对底层衬底表面的压电电荷的屏蔽效应和石墨烯相比会表现的相对迟缓一些,从而能够引起中间石墨烯层中的一个持续的载流子移动,实现电流和电压输出。同时他们提出了一个等效电路模型来描述水滴、石墨烯和衬底三层之间的一种动态电荷相互作用过程。

本工作在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201604226)上,第一作者为浙江大学信电学院博士生钟汇凯,信电学院林时胜博士为通讯作者。此篇文章的相关工作考虑了水,石墨烯和衬底整个系统之间的动态电荷相互作用,这种物理机制拓宽了我们对纳米材料中水流感应电压的见解,提供了一种新思路来从水的流动中获取电能,将推动石墨烯与水相互作用的有关实际应用。