近日，我院光电材料与器件团队继APL（https://doi.org/10.1063/5.0076658）文章发表后，硕士生陈运康等在著名学术期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了题为“Friction-Dominated Carrier Excitation and Transport Mechanism for GaN-Based Direct-Current Triboelectric Nanogenerators”的研究论文。

基于摩擦电效应的半导体摩擦电纳米发电机（TENG）具有直流电和高电流密度的特点，但其能量转移和转换机制尚不完全清楚。本文研究了一系列基于氮化镓（GaN）的半导体直流TENGs（SDC-TENGs），以阐明载流子的激发和输运机制。在摩擦过程中，由于半导体类型的原因，外部输出电流总是从氮化镓流向硅或铝，无论内置电场的方向如何。这些结果表明，载流子的输运方向主要由摩擦带电形成的界面电场决定，这在不同的偏置电压下也得到了验证。此外，还系统地研究了不同法向力和摩擦模式下摩擦力的特性。SDC-TENG的开路电压和短路电流均随着摩擦力的增大而增大，说明摩擦力越大，界面电场越大，摩擦也越大。

如图所示，基于电子云电位阱模型和能带图对载流子激发和输运机制的可能解释如下:氮化镓和Si的异质结具有不同的表面态图（A）和费米能级（图D、G）。在摩擦过程中，由于不同的摩擦电顺序，Si倾向于失去电子，而氮化镓倾向于获得电子。这是氮化镓和Si的摩擦电气化过程。连续的摩擦可以在接触界面上形成一个定向的界面电场，这可能是由于氮化镓的表面状态（缺陷、位错）能够存储电子，如图B所示。电场的方向是从Si到氮化镓。当摩擦发生较强时，表面状态的电子变得更活跃，更容易在Si和氮化镓之间转移，从而形成更大的界面电场如图C所示。较大的界面电场使得SDC-TENG具有较高的输出电压。通过能带图可知，当Si与nGaN接触时，在界面处形成了一个内置的电场。同时，也形成了界面电场，其方向与内置电场相反。由于界面电场的强度大于内置电场，由摩擦激发的电子−空穴对被界面电场分隔形成电流，如图E所示。当摩擦增大时，界面电场变大，激发的电子−空穴对更多，导致SDC-TENG的电压和电流增加，如图F所示。当Si与pGaN接触时，内置电场的方向与界面电场的方向一致，驱动电子−空穴对结合在一起，如图H所示。当摩擦越严重时，界面电场变大，激发态载流子增加（图I），SDC-TENG的电输出增加。

论文作者：陈运康（硕士生），张之，王昭政（博士生），布天昭，董思成（硕士生），韦文旺（博士生），陈志强（硕士生），林源（硕士生），吕羿（硕士生），周涵（硕士生），孙文红（通讯作者），张弛（通讯作者）。

陈运康、张之和王昭政为共同第一作者，广西大学为第一单位。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c03853