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王中林院士近期工作精选汇总

王中林院士近期工作精选汇总

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1、Adv. Funct. Mater:由生物力学运动驱动和调节的自供电离子渗透皮下给药系统


具有反馈控制的透皮给药(TDD)系统以其独特的便捷性、自我给药和安全性等优点而被广泛的研究,以希望进入临床应用。基于此,美国佐治亚理工学院的王中林院士(通讯作者)团队报道了一种自供电的可穿戴离子电渗疗法TDD系统。该系统可以通过从生物力学运动中收集能量用于驱动和调节,以进行闭环运动检测和治疗。可穿戴式摩擦电纳米发电机(TENG)被用作运动传感器和能量收集器,可以在不使用存储电能的情况下将生物力学运动转化为电能进行离子电渗疗法,同时设计了一种基于水凝胶的柔性贴片,该贴片具有并排的电极,以实现无创离子热疗TDD。并且作者以猪皮染料为模型药物的概念,成功地证明了该系统的可行性。总之,该工作不仅扩展了TENG在生物医学领域的应用,而且为无创的电辅助TDD的闭环检测和治疗提供了一种经济有效的解决方案。


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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.:机械刺激控制的压电隧道结


现今,隧道结(Tunneling junction)被广泛用于高频振荡器、非易失性存储器和磁感应器等设备中。并且都通过调控电或电磁可以对这些设备的屏障宽度和/或高度进行调控。然而,目前在国内外很少报道通过外界刺激调控隧道结,但这种现象又普遍存在于环境中。因此,发展机械刺激调控隧道结的机理对量子力学的发展具有重要意义。


基于上述考虑,中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士和兰州大学的Yong Qin(共同通讯作者)联合报道了一种新型的压电隧道结(PTJ)机理,其中量子隧道受外部施加的机械刺激控制/调整。在这些金属/绝缘体/压电半导体PTJ中,可以通过压电效应来机械地调节隧道势垒的高度和宽度,例如Pt/Al2O3/p-GaN。PTJs的隧穿电流特性作为外部机械刺激的函数表现出临界行为,导致高灵敏度(约5.59 mV MPa-1)、巨大转换(>105)和快速响应(约4.38 ms)。


此外,该系统还研究了不同厚度的Al2O3在PTJs中的隧穿传输的机械控制。这些金属/绝缘体/压电半导体PTJs具有优异的性能因而在机电技术方面具有巨大的应用潜力。总之,该研究不仅证明了量子隧穿的动态机械控制,而且还为量子隧穿与机械刺激之间的自适应相互作用铺平了道路,在超灵敏压力传感器、人机界面和人工智能等领域具有潜在的应用价值。


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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半浮式微盘LED阵列中的不均匀压电效应


基于氮化镓(GaN)的LEDs在固态照明和全彩色显示器中应用广泛而备受关注。尽管蓝光LEDs的内部量子效率很高,但其外部量子效率仍然不理想。虽然一些基于平面InGaN/GaN量子阱的光电器件可以通过压电效应进行有效调制,但是这些研究都集中在简单压电材料和器件中的均匀压电效应上。因此,很少研究关于复杂微/纳米光电/电子器件中的不均匀压电效应。

基于此,中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士、胡卫国研究员和日本千叶大学的Bei Ma(共同通讯作者)联合报道了一种各向同性和各向异性结合的干法刻蚀工艺,制备出一种新型半浮式InGaN/GaN微盘LED阵列,其光强度显着提高了150%。利用微光谱和Poisson-Schrodinger耦合的自洽计算研究表明,微盘LED上存在不均匀的残余应力分布。发现沿着微盘中心到微盘边缘,随着Si衬底被蚀刻掉,GaN层中的面内拉应力减小,而InGaN层中的压应力逐渐增大。

同时,微型磁盘LED中存在的这种梯度应力分布引起了不均匀的压电效应,进而导致沿微型磁盘中心到微型磁盘边缘发射的光的最大波长偏移为16 meV。该研究不仅有助于研究柔性光电效应,而且发现在复杂的微/纳米光电/电子设备中也存在不均匀的压电效应,为显着提高微盘LED的发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:摩擦电纳米发电机的自双倍整流


如今,功率管理策略和相应的电路是摩擦电动纳米发电机(TENGs)转向实际应用中不可逾越的两个瓶颈。因此,为了给电子设备供电,TENG需要解决将交流电(AC)转换成直流电(DC),并提高能量输出两个主要任务。


基于上述考虑,美国佐治亚理工学院的王中林院士和清华大学的Xiaohong Wang(共同通讯作者)等人联合报道了一种名为TENG的自双倍整流(SDR-TENG)的功率管理策略,这是第一种根据TENG的独特性精心定制的交流到直流转换方法。其中,SDR-TENG将TENG的每个操作周期分为两个方向,而每个方向具有不同的输出方向,并将一个周期的输出保持在TENG的内部电容器中,直到下一个周期全部释放。通过这种策略将输出电压最多可以增加一倍,输出能量可以增加两倍,并且峰值输出功率可以增加四倍。此外,只需两个二极管即可轻松实现SDR-TENG,并且可以与所有其他功率管理策略兼容。总之。相信该策略可以成为标准的功率管理模块,并且可以进一步拓宽TENG器件在各个领域中的应用。


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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-型半导体上滑动n-型半导体形成的直流摩擦电池


摩擦发电机是通过利用摩擦电感应和静电感应效应来收集机械能的一种设备。当两种具有不同电子亲和力的材料接触时,由于摩擦带电,电子在接触的表面上发生转移。当两种材料以不同接触表面积相对滑动时,在外部电路中会因静电感应而产生交流电。然而,关于产生直流电的报道却很少。


基于此,中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士和新加坡南洋理工大学的Qing Zhang(共同通讯作者)等人联合报道了一种新型的发电机,称为摩擦电池。它基于n-型和p-型掺杂半导体之间的滑动摩擦且不改变接触面积的摩擦器件。在动态p-n结的接触表面上,沿着内置电场的方向产生直流电流,并从p-型半导体通过外部电路流向n-型半导体。同时,作者通过滑动速度、加速度、接触力、工作温度和顶部电极的几何形状来研究产生的电流和电压。而直流电流的产生是由于在两个滑动表面上产生的电子-空穴对,然后它们被内置电场扫出动态结。


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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.:利用光栅电极激发表面等离子体提高摩擦电纳米波发生器的输出性能


根据大量研究发现,摩擦电纳米发电机(TENGs)的表面电荷密度和输出阻抗是阻碍TENGs商业化的两个关键因素,因此,探索出来降低输出阻抗和增加表面电荷密度的独特方法显得异常重要。基于上述考虑,中科院北京纳米能源与系统研究所的Ya Yang和王中林院士联合重庆大学的Xiaojing Mu(共同通讯作μ者)等人共同报道了一种利用光栅电极驱动的使表面等离子体激发来有效提高TENG的输出性能,同时降低TENG的输出阻抗的方法。


通过TENG上的光栅耦合表面等离子体激发共振以及线密度下的铝光栅电极,在600 lines mm-1的线密度下,可产生约40 μA(短路电流)和350 V(峰值电压为10 MΩ的峰值电压)的可持续且增强的输出性能。并其在1 MΩ的负载电阻下,可提供3.6 mW的峰值输出功率,从而将输出功率提高4.5倍以上,并使输出阻抗降低75%。最后,作者利用自供电的超声波测距系统来验证TENG为便携式电子设备供电的能力。此外,该研究结果可能为改进TENGs的输出特性提供新的见解,并加速TENGs的商业化和应用。


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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:利用压电效应调制出柔性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管


众所周知,柔性电子技术由于其在医疗保健、机器人技术和人工智能等领域具有广泛应用前景而备受关注。由于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)具有高饱和漂移速度、宽带间隙和优异的频率等优异特性,因而其是射频(RF)、微波器件等的最佳选择。然而,由于生长动力学的限制,AlGaN/GaN HEMTs通常在Si/蓝宝石或SiC等刚性基板上制备,因而它们无法应用于非平面环境且难以变形。虽然利用基底转移技术可以提高了其柔性,但调制范围非常有限。因此,开发出可以承受较大的机械变形的柔性压电器件显得非常重要。


基于此,中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士和胡卫国研究员(共同通讯作者)等人联合报道了一种低损伤和晶片规模化的基底转移技术,并利用该技术成功的制备了柔性AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)。柔性AlGaN/GaN HEMTs具有出色的电气性能,在Vgs=+2 V时,Id,max可达到290 mA/mm,且gm,max达到40 mS/mm。压电效应为优化器件性能提供了一种不同的自由度,使得柔性HEMTs可以承受更大的机械变形。基于压电效应,作者施加了一个外部应力以显着调节柔性HEMTs的电性能。总之,利用压电效应调制的柔性AlGa/ GaN HEMTs在人机界面、智能微电感器系统和有源传感器等方面具有巨大的应用潜力,并为传感或反馈外部机械刺激等提供了新见解。


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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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